ES2314802T3 - Modulo semiconductor de potencia. - Google Patents

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ES2314802T3 ES06020503T ES06020503T ES2314802T3 ES 2314802 T3 ES2314802 T3 ES 2314802T3 ES 06020503 T ES06020503 T ES 06020503T ES 06020503 T ES06020503 T ES 06020503T ES 2314802 T3 ES2314802 T3 ES 2314802T3
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Peter Beckedahl
Christian Gobl
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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Semikron GmbH and Co KG
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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Abstract

Módulo semiconductor de potencia (1) para su colocación en un componente de refrigeración (50), con por lo menos un sustrato (5), por lo menos dos elementos semiconductores de potencia controlables (70 a/b), una carcasa (3) y elementos de conexión de carga y de control (42, 44, 46) que conducen al exterior, presentando el sustrato (5) un cuerpo aislante (52) y presentando, en su primera superficie principal dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia, por lo menos una única pista de conexión de carga (54) con potencial de tensión alterna y por lo menos una pista conductora (56 a/b) con potencial de control, presentando los elementos semiconductores de potencia controlables (70 a/b) una primera superficie principal con una primera superficie de conexión de carga (72) y con una superficie de conexión de control (74) y una segunda superficie principal con una segunda superficie de conexión de carga (76), estando dispuesto por lo menos un primer elemento semiconductor de potencia (70 a) en dicho sustrato (5) con su primera superficie principal encarada al sustrato (5) y estando conectado conforme al circuito a una pista conductora (56 a) que presenta un potencial de tensión alterna (54) y un potencial de control respectivamente, y estando dispuesto por lo menos un segundo elemento semiconductor de potencia (70 b) en dicho sustrato con su segunda superficie principal dirigida al sustrato (5) y conectado conforme al circuito a una pista de conexión de carga (54) que presenta un potencial de tensión alterna, y donde los elementos de conexión de carga (44, 46) de potencial positivo y negativo respectivamente se encuentran colocados sobre una superficie de conexión de carga alejada del sustrato de un elemento semiconductor de potencia asociado (70 a/b) y conectados mediante conducción eléctrica por un contacto por presión.

Description

Módulo semiconductor de potencia.
El invento describe un módulo semiconductor de potencia con elementos semiconductores de potencia controlables. Un punto de partida del invento lo constituyen los módulos semiconductores de potencia que se conocen gracias a los ejemplos de las patentes
DE-4.237.632-A1 y DE-19.719.703-A1.
De acuerdo con el estado de la técnica, dichos módulos semiconductores de potencia están compuestos por una carcasa con por lo menos un sustrato aislante eléctricamente dispuesto en la misma, preferiblemente para el montaje directo sobre un componente de refrigeración. El sustrato está compuesto a su vez por un cuerpo aislante con varias pistas de conexión metálicas aisladas entre sí que se encuentran en éste y por elementos semiconductores de potencia que se encuentran sobre el mismo y están conectados a dichas pistas de conexión conforme al circuito. Además, los módulos semiconductores de potencia conocidos presentan elementos de unión para contactos de carga y contactos auxiliares externos y elementos de conexión dispuestos en el interior. La mayoría de las veces, estos elementos de conexión para las conexiones conformes al circuito en el interior del módulo semiconductor de potencia están formados como conexiones eléctricas por hilo.
De acuerdo con el estado de la técnica, los elementos semiconductores de potencia controlables, con su segunda superficie principal, que en el caso de elementos semiconductores de potencia bipolares está formada como superficie de conexión de carga del colector, están soldados a una pista conductora asociada del sustrato y de esta forma están conectados de un modo eléctricamente conductor. La primera superficie principal del elemento semiconductor de potencia presenta en este caso dos superficies de contacto, estando formada una de ellas como conexión de control y la otra como superficie de conexión de carga del emisor. Tanto la superficie de control como la superficie de contacto del emisor están conectadas a otros elementos semiconductores de potencia o a otras superficies de contacto mediante conducción eléctrica conforme al circuito por medio de conexiones eléctricas por hilo.
Un aspecto desventajoso de las conexiones eléctricas por hilo, en especial para elementos semiconductores de potencia con alta capacidad de carga de corriente por unidad de superficie, es que éstas deben presentar muchos hilos de empalme y cada hilo de empalme muchas pinzas de empalme para lograr la capacidad de carga de corriente necesaria de la conexión de empalme. En las conexiones de empalme también es desventajoso el hecho de que la conexión eléctrica se genera por medio de varias pinzas de empalme separadas entre sí y, de este modo, la entrada de corriente en la superficie de contacto del elemento semiconductor de potencia se produce de un modo no homogéneo.
También se conocen módulos semiconductores de potencia con contacto por presión gracias a las patentes DE-4.237.632-A1 o DE-10.360.573-A1. En el caso del primer documento, por medio de elementos introductores de distinta presión de la estructura, el sustrato es presionado contra un componente de refrigeración para generar un contacto eficaz y aislado eléctricamente, pero con conducción térmica, y evacuar de forma eficaz el calor que se genera durante el funcionamiento. En este caso, la introducción de presión se realiza en las zonas del sustrato no equipadas con elementos constructivos y que se mantienen libres por separado. Un aspecto desventajoso de lo anterior es que, de este modo, la superficie del sustrato disponible para los elementos semiconductores de potencia y los elementos de conexión se ve limitada por los elementos introductores de presión. También resulta desventajoso que el mejor acoplamiento térmico se consigue no en la zona de la fuente de calor, el respectivo elemento semiconductor de potencia, sino en las zonas adyacentes.
En todas las configuraciones de módulos semiconductores de potencia mencionadas anteriormente, los sustratos presentan pistas conductoras con distintos potenciales, habitualmente los dos potenciales de corriente continua y el potencial de corriente alterna. Además, en el sustrato hay dispuestas pistas conductoras con potenciales auxiliares, por ejemplo potenciales de control.
Por ejemplo, la DE-10.360.573-A1 divulga una disposición de presión directamente sobre un elemento semiconductor de potencia, de modo que se dispone un elemento semiconductor de potencia entre una placa base y los elementos introductores de presión. En la actualidad, dichas estructuras con contacto por presión, en las que la presión es introducida directamente en el elemento semiconductor de potencia, en la práctica se conocen principalmente para diodos de potencia y tiristores de potencia. Lo desventajoso en dichas estructuras es que la presión se introduce por separado de forma selectiva para cada elemento semiconductor de potencia.
Mediante la EP-0.064.856-A2 se divulga una disposición de puente multifase que presenta un sustrato, así como varias pistas conductoras con potencial de carga, potencial de tensión alterna y también potencial de tensión continua. Mediante la EP-1.378.941-A2 también se divulga un módulo semiconductor de potencia en disposición de tres fases, estando dispuestos los elementos semiconductores de potencia directamente en las pistas conductoras con potencial de tensión alterna. Las conexiones de control de los elementos semiconductores de potencia dispuestos entre el sustrato y un elemento de unión en este caso son conducidas hacia fuera de este lote lateralmente.
Mediante la EP-1.511.078-A2 se divulga un módulo semiconductor de potencia con contacto por presión, estando dispuestos entre dos elementos de unión varios elementos constructivos activos y varios diodos con tampones de conducción de calor dispuestos debidamente de tal modo que aumenta la eficacia de la disipación de calor.
El invento tiene como objetivo presentar un módulo semiconductor de potencia con varios elementos semiconductores de potencia que presente una alimentación y eliminación eficaz de la corriente, así como un proceso de fabricación simple y racional.
De acuerdo con el invento, el objetivo se lleva a cabo mediante las medidas de las características de la reivindicación 1. En las reivindicaciones subordinadas se describen formas de realización pre-
ferentes.
El concepto del invento contiene un módulo semiconductor de potencia para ser dispuesto en un componente de refrigeración con por lo menos un sustrato, por lo menos dos elementos semiconductores de potencia controlables, como por ejemplo, transistores bipolares, una carcasa y elementos de conexión de carga y de control que conducen al exterior. El propio sustrato presenta un cuerpo aislante y, en su primera superficie principal, dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia, por lo menos una pista conductora con potencial de carga. Además, el sustrato presenta por lo menos una pista conductora con potencial de control. Los elementos semiconductores de potencia controlables presentan una primera superficie principal con una primera superficie de conexión de carga, por ejemplo, la conexión del emisor, y con una superficie de conexión de control, así como una segunda superficie principal con una segunda superficie de conexión de carga, por ejemplo, la conexión del colector.
El módulo semiconductor de potencia de acuerdo con el invento presenta por lo menos un primer elemento semiconductor de potencia que, con su primera superficie principal dirigida hacia el sustrato, está dispuesto en dicho sustrato y conectado conforme al circuito a una pista conductora que presenta un potencial de carga y un potencial de control respectivamente. Además, presenta por lo menos un segundo elemento semiconductor de potencia que, con su segunda superficie principal dirigida hacia el sustrato, está dispuesto en dicho sustrato y conectado conforme al circuito a una pista conductora que presenta un potencial de carga. Por lo menos un elemento de conexión de carga del módulo semiconductor de potencia de acuerdo con el invento está dispuesto en una superficie de conexión de carga de un elemento semiconductor de potencia y está unido a ésta de un modo eléctricamente conductor.
La solución de acuerdo con el invento se explica en más detalle por medio de los ejemplos de realización de las figuras 1 y 2.
La figura 1 muestra un corte de un módulo semiconductor de potencia de acuerdo con el invento;
La figura 2 muestra el sustrato y la disposición de los elementos semiconductores de potencia de un módulo semiconductor de potencia de acuerdo con el invento.
La figura 1 muestra un corte a lo largo de la línea A-A (véase la figura 2) de un módulo semiconductor de potencia 1 de acuerdo con el invento. Éste presenta una carcasa 3 compuesta por una pieza de carcasa en forma de marco 32, así como una tapa 34 con pestañas de retención 36 para crear una conexión rápida de enclavamiento con la pieza de carcasa en forma de marco 32. En este caso, la pieza de carcasa en forma de marco 32 contiene un sustrato 5. Éste a su vez presenta un cuerpo aislante 52, preferentemente una cerámica aislante, como óxido de aluminio o nitrito de aluminio. En la primera superficie principal, dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia 1, el sustrato 5 presenta un recubrimiento de cobre estructurado. Las distintas secciones de este recubrimiento de cobre forman las pistas conductoras 54, 56 a/b del módulo semiconductor de potencia. La segunda superficie principal del sustrato presenta, de acuerdo con el estado de la técnica, un recubrimiento de cobre no estructurado 58.
De acuerdo con el invento, sobre estas pistas conductoras 54 hay dispuestos elementos semiconductores de potencia controlables 70 a/b, como por ejemplo, unos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Para su conexión eléctrica, los elementos semiconductores de potencia 70 a/b presentan tres superficies de contacto. Una primera superficie de contacto se asigna a la conexión del emisor 72 del IGBT, una segunda a la conexión de control 74 y una tercera a la conexión del colector 76. La conexión del colector 76 está dispuesta en la segunda superficie principal del IGBT 70 a/b, la conexión del emisor 72 y la conexión de control 74 están dispuestas en la primera superficie principal del IGBT 70 a/b, prefiriéndose en este caso como posición de esta conexión de control una esquina del IGBT.
El módulo semiconductor de potencia 1 presenta primeros elementos semiconductores de potencia 70 a, cuya respectiva primera superficie principal vuelta hacia el sustrato 5 está dispuesta sobre dicho sustrato. En este caso, la superficie de contacto del emisor 72 está conectada de un modo eléctricamente conductor a una pista conductora asociada 54 que conduce potencial de carga. La superficie de contacto de control 74 está conectada de un modo eléctricamente conductor a una pista conductora asociada 56 a que conduce potencial (de control) auxiliar.
El módulo semiconductor de potencia 1 presenta además segundos elementos semiconductores de potencia 70 b que, como se conoce por el estado de la técnica, están dispuestos en la pista conductora asociada 54 con su segunda superficie principal vuelta hacia el sustrato 5. Para su activación, éstos presentan una conexión de empalme 40 con una pista conductora 56 b que conduce potencial de control.
Resulta especialmente preferente formar la unión eléctricamente conductora entre las pistas conductoras 54 y 56 a del sustrato 5 y las superficies de contacto encaradas a los respectivos elementos semiconductores de potencia 70 a/b por medio de una unión adhesiva conductora de electricidad, siendo adecuados también otros procedimientos conocidos, como la soldadura o la sinterización a presión.
En la disposición mencionada de los elementos semiconductores de potencia 70 a/b sobre el sustrato 5, éste está formado de tal modo que tan sólo presenta una pista de conexión de carga 54 con un único potencial, el potencial de tensión alterna. Otros potenciales del sustrato son exclusivamente potenciales de control 56 a/b o potenciales auxiliares no representados, por ejemplo, para señales de sensores conocidas de acuerdo con el estado de la técnica.
Los elementos de conexión de carga 42, 44, 46 sirven para realizar la conexión externa del circuito electrónico de potencia dentro del módulo semiconductor de potencia 1. A efectos de simplificación, no se representan los elementos de conexión auxiliares necesarios. De acuerdo con el invento, en este caso, un primer elemento de conexión de carga 44 no está conectado a una pista conductora, sino a primeras superficies de conexión de carga 76 (en este caso superficies de conexión del colector) de primeros elementos semiconductores de potencia 70 a, y de este modo forma la conexión de carga con potencial positivo. De la misma manera, un segundo elemento de conexión de carga 46 está conectado a segundas superficies de conexión de carga 72 (en este caso superficies de conexión del emisor) de segundos elementos semiconductores de potencia 70 b, y de este modo forma la conexión de carga con potencial negativo. La conexión de carga 42 con potencial de corriente alterna está conectada directamente a la pista conductora asociada 54.
Esta disposición descrita es especialmente ventajosa, ya que en este caso no son necesarias conexiones de empalme para potenciales de carga y, de este modo, el gasto de fabricación con respecto al estado de la técnica puede reducirse considerablemente. Además, resulta especialmente ventajoso que, gracias a que tan sólo hay un potencial de carga en el sustrato, la topología de las pistas conductoras del sustrato 5 está configurada de un modo muy sencillo (véase la figura 2). Del mismo modo, es especialmente eficaz la alimentación de corriente directa a los elementos semiconductores de potencia 70 a/b y la eliminación de corriente preferiblemente en el centro entre éstos.
También es especialmente preferente cuando los elementos semiconductores de potencia 70 a/b presentan cuerpos metálicos conformados 60 dispuestos en sus superficies de contacto de carga alejadas del sustrato 5 por medio de una conexión sinterizada a presión. Del mismo modo, resulta adecuado disponer estos cuerpos metálicos conformados 60 con otros procedimientos conocidos, como la soldadura o el pegado. Los cuerpos metálicos conformados 60 sirven preferiblemente para aplicar corriente de carga de forma uniforme en el elemento semiconductor de potencia 70 a/b. En caso de una conexión sinterizada a presión, las superficies de contacto de carga del elemento semiconductor de potencia 70 a/b presentan una superficie de metal noble adecuada para ello, preferiblemente de oro. En esta superficie de contacto de carga, y unido a ésta de un modo eléctricamente conductor por medio de la conexión sinterizada a presión, el cuerpo metálico conformado 60 está dispuesto con las dimensiones longitudinales de la superficie de conexión de carga asignada y con un espesor inferior a un 50 por 100 de su máxima extensión longitudinal. El propio cuerpo metálico conformado 60 está compuesto preferiblemente de cobre y está dotado, por lo menos en la zona de la conexión sinterizada a presión, de una superficie de metal noble aplicada galvánicamente.
Otra configuración especialmente preferente del módulo semiconductor de potencia 1 de acuerdo con el invento presenta un contacto por presión. En este caso, por lo menos un elemento de conexión de carga 44 y 46 dispuesto en un elemento semiconductor de potencia 70 a/b es cargado con presión 80 por medio de configuraciones conocidas. De este modo pueden formarse una conexión eléctrica con contacto por presión del elemento de conexión de carga 44 y 46 al elemento semiconductor de potencia asignado 70 a/b y también, o bien alternativamente, una conexión de conducción térmica con contacto por presión entre el sustrato 5 y el componente de refrigeración 50.
Una conexión eléctrica por medio de contacto por presión entre el elemento de conexión de carga 44 y 46 y el elemento semiconductor de potencia 70 a/b posee la ventaja de presentar una alta durabilidad conocida incluso en caso de cargas alternantes. Una conexión térmica por medio de contacto por presión entre el sustrato 5 y un componente de refrigeración 50, introduciéndose la presión por medio del elemento semiconductor de potencia 70 a/b posee especialmente la ventaja de que el acoplamiento térmico es mejor allí donde se produce calor de escape, es decir, en el elemento semiconductor de potencia 70 a/b, y que toda la disposición puede formarse de manera compacta, puesto que en este caso no deben facilitarse superficies adicionales en el sustrato 5 para introducir la presión.
En el marco de un contacto por presión, los cuerpos metálicos conformados 60 también resultan especialmente ventajosos, ya que éstos distribuyen la presión en el elemento semiconductor de potencia 70 a/b de forma homogénea por medio de la superficie de contacto asignada respectivamente y de este modo protegen el elemento semiconductor de potencia 70 a/b de un posible deterioro provocado por la introducción de presión 80.
La figura 2 muestra el sustrato 5 y la disposición de los elementos semiconductores de potencia 70 a/b de un módulo semiconductor de potencia 1 de acuerdo con el invento. Esto se representa por medio del ejemplo de un circuito de semipuente, componente básico de muchos circuitos técnicos. El circuito de semipuente consta de 4 primeros transistores de potencia 70 a, con dos diodos de potencia 70 c (elementos semiconductores de potencia no controlados) conectados de forma antiparalela que forman un primer interruptor de potencia conectado al potencial positivo (véase la figura 1), así como de una disposición idéntica 70 b/d para el segundo interruptor de potencia.
Se representa asimismo el sustrato de cerámica 5, una pista conductora 54 dispuesta sobre éste que conduce una corriente de carga con potencial de corriente alterna, y una pista conductora 56 a/b para las señales de control del primer y el segundo interruptor, respectivamente. Los elementos semiconductores de potencia controlados 70 a (de nuevo unos IGBT) del primer interruptor están dispuestos con su primera superficie principal en dirección al sustrato 5. Las superficies de contacto del emisor 72 están pegadas a la pista conductora 54 que conduce potencial de corriente alterna y de este modo están conectadas a ésta eléctricamente. Las superficies de conexión de carga 74 de los primeros IGBT 70 a también están conectadas mediante conducción eléctrica a la pista conductora 56 a asignada que conduce corriente de control por medio de una unión adhesiva.
Puede ser preferente que si entre los elementos semiconductores de potencia y las pistas conductoras del sustrato se dispongan otros cuerpos metálicos conformados. Éstos sirven para separar los elementos semiconductores de potencia de las pistas conductoras. En este sentido, para cada potencial de los respectivos elementos semiconductores de potencia debe preverse otro cuerpo metálico conformado. Por ejemplo, para un IGBT 70 a debe preverse otro cuerpo metálico conformado para el contacto del emisor y/o para el contacto de control.
Los elementos semiconductores de potencia controlados 70 b del segundo interruptor están dispuestos con su segunda superficie principal dirigida al sustrato 5. Las superficies de contacto del colector 76 también están pegadas a la pista conductora 54 que conduce potencial de corriente alterna y de este modo están unidas a ésta eléctricamente. Las superficies de conexión de carga 76 de los segundos IGBT están unidas por conducción eléctrica a la pista conductora asociada 56 b que conduce corriente de control por medio de una conexión de empalme 40.
Las conexiones de carga no representadas están formadas de acuerdo con la figura 1.

Claims (9)

1. Módulo semiconductor de potencia (1) para su colocación en un componente de refrigeración (50), con por lo menos un sustrato (5), por lo menos dos elementos semiconductores de potencia controlables (70 a/b), una carcasa (3) y elementos de conexión de carga y de control (42, 44, 46) que conducen al exterior, presentando el sustrato (5) un cuerpo aislante (52) y presentando, en su primera superficie principal dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia, por lo menos una única pista de conexión de carga (54) con potencial de tensión alterna y por lo menos una pista conductora (56 a/b) con potencial de control, presentando los elementos semiconductores de potencia controlables (70 a/b) una primera superficie principal con una primera superficie de conexión de carga (72) y con una superficie de conexión de control (74) y una segunda superficie principal con una segunda superficie de conexión de carga (76), estando dispuesto por lo menos un primer elemento semiconductor de potencia (70 a) en dicho sustrato (5) con su primera superficie principal encarada al sustrato (5) y estando conectado conforme al circuito a una pista conductora (56 a) que presenta un potencial de tensión alterna (54) y un potencial de control respectivamente, y estando dispuesto por lo menos un segundo elemento semiconductor de potencia (70 b) en dicho sustrato con su segunda superficie principal dirigida al sustrato (5) y conectado conforme al circuito a una pista de conexión de carga (54) que presenta un potencial de tensión alterna, y donde los elementos de conexión de carga (44, 46) de potencial positivo y negativo respectivamente se encuentran colocados sobre una superficie de conexión de carga alejada del sustrato de un elemento semiconductor de potencia asociado (70 a/b) y conectados mediante conducción eléctrica por un contacto por presión.
2. Módulo semiconductor de potencia (1) de acuerdo con la reivindicación 1, donde un cuerpo metálico conformado (60) con las dimensiones longitudinales de la superficie de conexión de carga asociada y con un espesor inferior a un 50 por 100 de su máxima extensión longitudinal, se encuentra dispuesto sobre la superficie de conexión de carga alejada del sustrato (5) de por lo menos un elemento semiconductor de potencia (70 a/b).
3. Módulo semiconductor de potencia (1) de acuerdo con la reivindicación 1, donde entre los elementos semiconductores de potencia (70) y las pistas conductoras (54, 56) del sustrato (5), se encuentran dispuestos otros cuerpos metálicos conformados adicionales, y en este caso se prevé un cuerpo metálico conformado para cada potencial del respectivo elemento semiconductor de potencia.
4. Módulo semiconductor de potencia (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, donde un primer elemento de conexión de carga (44) está conectado a las primeras superficies de conexión de carga de los primeros elementos semiconductores de potencia (70 a) y forma la conexión de carga con potencial positivo, y un segundo elemento de conexión de carga (46) está conectado a las segundas superficies de conexión de carga de los segundos elementos semiconductores de potencia (70 b) y forma la conexión de carga con potencial negativo.
5. Módulo semiconductor de potencia (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones de la 1 a la 3, donde además de los elementos semiconductores de potencia controlados (70 a/b), también los elementos semiconductores de potencia no controlados (70 c/f) se encuentran dispuestos sobre por lo menos una pista conductora (54) del sustrato y conectados a los elementos semiconductores de potencia controlados (70 a/b) conforme al circuito.
6. Módulo semiconductor de potencia (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, donde la unión por conducción eléctrica entre las pistas conductoras (54, 56 a) del sustrato (5) y las superficies de contacto dirigidas a los elementos semiconductores de potencia (70 a/b) se forman por medio de una unión adhesiva conductora de electricidad.
7. Módulo semiconductor de potencia (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, donde en el sustrato (5) se forman pistas conductoras adicionales para conexiones auxiliares o de sen-
sores.
8. Módulo semiconductor de potencia (1) de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, donde la unión eléctricamente conductora entre el elemento semiconductor de potencia (70 a/b) y el cuerpo metálico conformado (60) se forma como conexión sinterizada a presión.
9. Módulo semiconductor de potencia (1) de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, donde la unión eléctricamente conductora entre el elemento semiconductor de potencia (70) y el cuerpo metálico conformado (60) se forma como unión soldada o adhesiva.
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