ES2314951T3 - Modulo semiconductor de potencia con mecanismo de contacto. - Google Patents

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Abstract

Módulo semiconductor de potencia (1) con por lo menos un material de base (5), dispuesto sobre éste por lo menos un componente semiconductor de potencia (60), una caja (3) y un elemento de conexión de carga que conduce hacia afuera (4), de modo que el material de base (5) presenta un cuerpo de material aislante (52) y sobre su primera superficie principal dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia hay dispuestos circuitos impresos (54) con potencial de carga, de forma que los elementos de conexión de carga (4) están formados como un primer cuerpo moldeado de metal con por lo menos un mecanismo de contacto (40) con la superficie de contacto (42) para la unión eléctrica externa con un dispositivo de conexión (82) de una entrada de corriente (8), y de forma que entre el dispositivo de conexión (82) del conductor externo (8) y los mecanismos de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4) está dispuesto un segundo cuerpo moldeado de metal (70), de modo que el giro del segundo cuerpo moldeado de metal (70) sobre su eje vertical no es posible, o muy reducido, de 10 grados como máximo, y donde la unión entre el dispositivo de conexión (82) del conductor externo (8) y el mecanismo de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4) está formada mediante un tornillo (90) y el alojamiento de la rosca correspondiente (34) se encuentra en una escotadura (32) de la caja y está distanciada de la cara inferior (44) del mecanismo de contacto (40).

Description

Módulo semiconductor de potencia con mecanismo de contacto.
El invento describe un módulo semiconductor de potencia, preferiblemente en una ejecución de contacto de presión, con componentes semiconductores de potencia con o sin control. Un primer punto de partida del invento lo conforman los módulos semiconductores de potencia de contacto de presión, tal como se divulgan, por ejemplo, en la patente DE-4.237.632-A1.
Los módulos semiconductores de potencia de este tipo conforme al estado de la técnica constan de una caja que contiene por lo menos un material de base electroaislante, preferiblemente para el montaje directo sobre un elemento refrigerante. Por su parte, el material de base se compone de un cuerpo de material aislante, sobre el cual hay dispuestas varias pistas de unión metálicas aisladas entre sí, y sobre éstas se encuentran dispuestos componentes semiconductores de potencia unidos a dichas pistas mediante cableado. Además, los módulos semiconductores de potencia conocidos presentan elementos de conexión para conexiones de carga y conexiones auxiliares externas, así como elementos de unión dispuestos en el interior. Dichos elementos de unión para uniones por cableado en el interior del módulo semiconductor de potencia se componen mayoritariamente de uniones por hilo.
También son conocidos los módulos semiconductores de potencia conforme a la patente DE-10/2004-025.609-A1. En ésta se divulga un módulo semiconductor de potencia en topología de montaje en puente trifásico, con cinco elementos de conexión de carga, de los cuales, dos son elementos de conexión de corriente continua para su entrada en un circuito intermedio y tres son elementos de conexión de corriente alterna para las tres fases de salida.
La patente US-3.683.318 divulga un elemento electrónico con un mecanismo de contacto provisto de un elemento de conexión de carga, un elemento de contacto externo y un conector de empalme, el cual está conformado como cuerpo moldeado de metal de forma laminar, con un brazo curvado dispuesto lateralmente a la superficie de la base del cuerpo moldeado de metal y provisto de por lo menos un resorte. Además, la superficie de contacto de dicho brazo posee una estructura especialmente diseñada y se encuentra fijado mediante su estructura especial a la caja del elemento para evitar que se tuerza y garantiza un ajuste y una fijación seguros de los elementos de contacto externos con el elemento de conexión de carga.
Los módulos semiconductores de potencia modernos de este tipo, pese a ser de un tamaño y un peso reducidos y a la estabilidad mecánica que esto conlleva, presentan una elevada capacidad de carga eléctrica. Resulta desventajoso que el mecanismo de contacto de los elementos de conexión de carga de este tipo de módulos semiconductores de potencia se cargue mucho automáticamente debido a los dispositivos de conexión adaptados a la corriente conducida de los conductores externos. Dichas cargas se generan principalmente al establecer una unión mecánica entre el dispositivo de conexión del conductor externo con los mecanismos de contacto de los elementos de conexión de carga. De este modo, mediante el momento de torsión aplicado se generan cargas que se anteponen a las uniones de los elementos de conexión de carga con los circuitos impresos del material de base y podrían dañarlos. También los momentos de flexión
que aparecen en el servicio, por ejemplo, mediante un cambio de temperatura, pueden cargar mucho dichas uniones.
El invento tiene como objetivo presentar un módulo semiconductor de potencia tal que los momentos de flexión y los momentos de torsión sobre los mecanismos de contacto de los elementos de conexión de carga se reduzcan.
La idea del invento parte de un módulo semiconductor de potencia, por ejemplo, en ejecución de contacto de presión, para su disposición sobre un elemento refrigerante con por lo menos un material de base, por lo menos un componente semiconductor de potencia, por ejemplo, un transistor bipolar, una caja y elementos de conexión de carga y de control dirigidos hacia fuera. El propio material de base presenta un cuerpo de material aislante y, sobre el primero, en la superficie principal dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia, circuitos impresos con potencial de carga.
El módulo semiconductor de potencia conforme al invento presenta también elementos de conexión de carga, cada uno de ellos conformado como cuerpo moldeado de metal, preferiblemente en forma de cinta. Estos establecen la unión electroconductiva y por cableado de un conductor externo a por lo menos un circuito impreso del material de base, o también directamente a por lo menos un componente semiconductor de potencia.
Asimismo, cada elemento de conexión de carga presenta por lo menos un mecanismo de contacto para la conexión eléctrica externa con un dispositivo de conexión del conductor de la entrada o la salida de corriente. Así pues, de conformidad con el invento, se coloca de forma laminar un cuerpo moldeado de metal entre un dispositivo de conexión del conductor externo y los mecanismos de contacto del elemento de conexión de carga. El cuerpo moldeado de metal está colocado de tal modo que no puede girar sobre su eje vertical, o bien muy poco, 10 grados como máximo.
Los módulos semiconductores de potencia dispuestos de este modo, debido al cuerpo moldeado de metal adicional situado entre el mecanismo de contacto de un elemento de conexión de carga y el dispositivo de conexión del conductor externo, presentan cargas más reducidas de las uniones internas del módulo de los elementos de conexión de carga. El cuerpo moldeado de metal absorbe una parte considerable del momento de torsión durante la fijación del conductor externo. Durante el servicio, los momentos de flexión se derivan mediante este cuerpo moldeado de metal adicional sobre la caja, reduciéndose así también las cargas de las conexiones dentro del módulo.
La solución del invento se detalla a continuación mediante los ejemplos de ejecución de las figuras 1 y 2.
La figura 1 muestra una sección parcial de un módulo semiconductor de potencia conforme al invento;
La figura 2 muestra una imagen tridimensional de un módulo semiconductor de potencia conforme al invento.
La figura 1 muestra una sección de un módulo semiconductor de potencia 1 conforme al invento. Dicho módulo posee una caja 3, que contiene por lo menos un material de base 5. Este a su vez posee un cuerpo de material aislante 52, preferiblemente cerámica aislante, por ejemplo, óxido de aluminio o nitrito de aluminio.
Sobre la primera superficie principal dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia 1, el material de base 5 presenta un recubrimiento metálico estructurado. La secciones individuales de este recubrimiento metálico, preferiblemente formado por un recubrimiento de cobre, forman a su vez los circuitos impresos 54 del módulo semiconductor de potencia. La segunda superficie principal del material de base 5 presenta conforme al estado de la técnica un recubrimiento de cobre no estructurado 56.
Sobre los circuitos impresos 54 del material de base 5 se encuentran dispuestos componentes semiconductores de potencia con o sin control 60, como por ejemplo, los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), provistos de diodos de rodada libre conectados en antiparalelo, o bien transistores de efecto de campo de SOM. Éstos se encuentran conectados por cableado con otros circuitos impresos 54, por ejemplo, mediante uniones por hilo 62.
El elemento de conexión de carga representado 40 sirve para la unión externa de la conexión electrónica de alimentación en el interior del módulo semiconductor de potencia 1. Para ello, el elemento de conexión de carga 40 es un cuerpo moldeado de metal en forma de cinta. Aquí el elemento de conexión de carga 40 está unido por soldadura a tope al circuito impreso correspondiente 54 del material de base 5. A continuación, el elemento de conexión de carga lo introduce en la caja sin entrar en contacto directo con las piezas de las paredes de la caja. El mecanismo de contacto 40 del elemento de conexión de carga 4 está situado por lo menos parcialmente sobre uno de los sectores asignados de la caja. Preferiblemente, los elementos de conexión auxiliar existentes no se representan en este dibujo seccional a efectos de simplificación.
Las conexiones externas del módulo semiconductor de potencia se realizan mediante por lo menos un conductor externo 8 por cada elemento de conexión de carga 40, de modo que el conductor 8 tiene asignado por lo menos un dispositivo de conexión 82. El conductor 8 presenta asimismo, por ejemplo, un hilo terminal 80 o una barra colectora mediante un cuerpo moldeado de metal de forma laminar. De conformidad con el invento, entre el dispositivo de conexión 82 del conductor externo 8 y los mecanismos de contacto 40 del elemento de conexión de carga 4 se coloca un cuerpo moldeado de metal adicional 70. Este cuerpo moldeado de metal 70 sobresale por encima de la superficie de contacto 42 de los mecanismos de contacto 40 del elemento de conexión de carga 4 por lo menos en una dirección lateral, preferiblemente hacia el interior del módulo. Esta pieza 72 que sobresale por encima de la superficie de contacto del cuerpo moldeado de metal 70 puede apoyarse sobre una parte de la caja 3.
Se prefiere especialmente que el cuerpo moldeado de metal 70 presente un grosor mayor al de los mecanismos de contacto 40 del elemento de conexión de carga 4. Para la disposición del cuerpo moldeado de metal 70 sobre la caja, resulta también ventajoso que el cuerpo moldeado de metal 70 se encuentre parcialmente empotrado en una armadura de plástico 76. En este acondicionamiento, el cuerpo moldeado de metal 70 se apoya a través de la armadura de plástico 76 sobre varias piezas 30 de la caja 3.
Para la unión del dispositivo de conexión 82 del conductor externo 8 y el mecanismo de contacto 40 del elemento de conexión de carga 4, se ha previsto un tornillo 90, y el alojamiento de la rosca 34 correspondiente a éste se encuentra dispuesto en una escotadura 32 de la caja 3. Para conseguir mantener una aplicación de fuerzas sobre la conexión de carga lo más reducida posible, este alojamiento de la rosca se encuentra distanciado de la parte inferior 44 del sistema de contacto 40. Para la colocación de dicho tornillo 90, tanto el cuerpo moldeado de metal 70 como el mecanismo de contacto 40 presenta escotaduras alineadas 46 y 74 con la escotadura 32 de la caja 3.
La figura 2 muestra una imagen tridimensional de un módulo semiconductor de potencia 1 conforme al invento en contacto de presión. Se muestra la caja 3 con un equipo a presión 100 atornillado 102 y las escotaduras 104 incluidas en éste para la ejecución de los elementos de conexión auxiliar en forma de resortes helicoidales.
El módulo semiconductor de potencia 1 presenta en una primera cara un elemento de conexión de corriente alterna, y en la cara opuesta, dos elementos de conexión de corriente continua de polaridad distinta. Por encima del mecanismo de contacto 40 de estos elementos de conexión de carga hay dispuesto un cuerpo moldeado de metal 70 conforme al invento empotrado en una armadura de plástico 76, de modo que los cuerpos moldeados de metal 70 correspondientes a los elementos de conexión de corriente continua se encuentran empotrados en la misma armadura de plástico 76. Estas armaduras de plástico 76 están atornilladas a la caja 3 del módulo semiconductor de potencia 1, impidiendo así el giro sobre el eje vertical (eje del tornillo, véase la figura 1), incluso al atornillar un conductor externo.

Claims (5)

1. Módulo semiconductor de potencia (1) con por lo menos un material de base (5), dispuesto sobre éste por lo menos un componente semiconductor de potencia (60), una caja (3) y un elemento de conexión de carga que conduce hacia afuera (4), de modo que el material de base (5) presenta un cuerpo de material aislante (52) y sobre su primera superficie principal dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia hay dispuestos circuitos impresos (54) con potencial de carga, de forma que los elementos de conexión de carga (4) están formados como un primer cuerpo moldeado de metal con por lo menos un mecanismo de contacto (40) con la superficie de contacto (42) para la unión eléctrica externa con un dispositivo de conexión (82) de una entrada de corriente (8), y de forma que entre el dispositivo de conexión (82) del conductor externo (8) y los mecanismos de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4) está dispuesto un segundo cuerpo moldeado de metal (70), de modo que el giro del segundo cuerpo moldeado de metal (70) sobre su eje vertical no es posible, o muy reducido, de 10 grados como máximo, y donde la unión entre el dispositivo de conexión (82) del conductor externo (8) y el mecanismo de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4) está formada mediante un tornillo (90) y el alojamiento de la rosca correspondiente (34) se encuentra en una escotadura (32) de la caja y está distanciada de la cara inferior (44) del mecanismo de contacto (40).
2. Módulo semiconductor de potencia (1) conforme a la reivindicación 1, donde el cuerpo moldeado de metal (70) sobresale por encima de la superficie de contacto (42) de los mecanismos de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4) en por lo menos una dirección lateral.
3. Módulo semiconductor de potencia (1) conforme a la reivindicación 2, donde la parte (72) del cuerpo moldeado de metal (70) que sobresale por encima de la superficie de contacto (42) de los mecanismos de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4) se apoya sobre una parte (30) de la caja (3).
4. Módulo semiconductor de potencia (1) conforme a la reivindicación 1, donde el cuerpo moldeado de metal (70) presenta un grosor mayor al de los mecanismos de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4).
5. Módulo semiconductor de potencia (1) conforme a la reivindicación 1, donde el cuerpo moldeado de metal (70) se encuentra parcialmente empotrado en una armadura de plástico (76).
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