RU180437U1 - Силовой модуль - Google Patents
Силовой модуль Download PDFInfo
- Publication number
- RU180437U1 RU180437U1 RU2017137982U RU2017137982U RU180437U1 RU 180437 U1 RU180437 U1 RU 180437U1 RU 2017137982 U RU2017137982 U RU 2017137982U RU 2017137982 U RU2017137982 U RU 2017137982U RU 180437 U1 RU180437 U1 RU 180437U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power
- housing
- elements
- power module
- semiconductor
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- WUUZKBJEUBFVMV-UHFFFAOYSA-N copper molybdenum Chemical compound [Cu].[Mo] WUUZKBJEUBFVMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/02—Containers; Seals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/06—Circuits specially adapted for rendering non-conductive gas discharge tubes or equivalent semiconductor devices, e.g. thyratrons, thyristors
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K5/00—Casings, cabinets or drawers for electric apparatus
- H05K5/06—Hermetically-sealed casings
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована при проектировании силовых полупроводниковых модулей различного назначения, с расширенным температурным диапазоном работы, использующих бескорпусные полупроводниковые силовые элементы, к которым предъявляются высокие требования по токовым нагрузкам и габаритам. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и мощности силового модуля за счет повышения эффективности отвода тепла от бескорпусных полупроводниковых силовых элементов снижением величины теплового сопротивления «кристалл-корпус», и уменьшения величины омического сопротивления «кристалл-вывод». Для достижения указанного технического результата предложен силовой модуль, содержащий корпус, коммутационную плату с электрической схемой, бескорпусные силовые полупроводниковые элементы, перемычки и электропроводящие силовые выводы, выполненные в виде цельнометаллической пластины с большой площадью поверхности, у которых первые участки, расположенные внутри корпуса, закреплены на коммутационной плате и используются в качестве термокомпенсаторов, к поверхности которых припаяны кристаллы силовых элементов и электропроводящие перемычки, а вторые участки, выходящие за пределы корпуса, используются как присоединительные выводы.
Description
Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована при проектировании силовых полупроводниковых модулей (далее - силовых модулей) различного назначения, с расширенным температурным диапазоном работы, использующих бескорпусные полупроводниковые силовые элементы, к которым предъявляются высокие требования по токовым нагрузкам и габаритам.
Наиболее распространенной причиной отказа силовых полупроводниковых элементов является вторичный пробой, который может развиваться в приборах даже при их эксплуатации с запасами по коммутируемому току, рабочему напряжению и средней величине рассеиваемой мощности. Основная причина снижения устойчивости силовых транзисторов к развитию вторичного пробоя - это наличие локальных участков с аномально высокой температурой («горячие пятна») и повышенное тепловое сопротивление перехода «кристалл-корпус», что приводит к перегреву кристалла и увеличению электрического сопротивления МОП-транзисторов.
Известны силовые транзисторы средней мощности [1, 2], в которых для компенсации больших внутренних напряжений, возникающих по причине неодинакового теплового расширения кремниевого кристалла транзистора и медного основания, в конструкциях корпусов между кремнием и основанием корпуса вводят термокомпенсатор. Для улучшения условий смачивания припоем термокомпенсаторы перед их монтажом покрывают слоем никеля или драгоценных металлов (золото, серебро) [3].
Известно использование в корпусах мощных транзисторов в качестве термокомпенсаторов молибденовых прокладок, которые обычно имеют размеры от 5×5 до 7×7 мм и толщину от 0,4 до 0,5 мм (Фирма Demetron источник информации).
Недостатком этих технических решений является небольшая площадь термокомпенсаторов для размещения термостатируемых кристаллов силовых элементов и отсутствие комплексной функции использования их в качестве электропроводящих выводов.
Известен силовой модуль [4], в котором силовые полупроводниковые приборы прикреплены к основанию модуля через высокотеплопроводящие пластины, выполненные из поликристаллического алмаза, которые являются изолирующим теплоотводом между силовыми полупроводниковыми приборами и основанием силового модуля.
Основным недостатком данного технического решения является высокая стоимость пластин поликристаллического алмаза, а также невозможность их использования в качестве электропроводящих выводов.
Известен силовой модуль (принятый за прототип) с расширенным температурным диапазоном работы силовых приборов поверхностного монтажа [5], в котором в качестве теплоотвода применены изогнутые медные пластины, содержащие как минимум три функциональных участка. Первые участки устанавливаются на базовой поверхности и могут использоваться как присоединительные выводы. На вторых участках установлена вторая сторона подложки, третьи участки припаяны к основаниям силовых приборов в качестве термокомпенсаторов.
Данное техническое решение не может быть применено для термостатирования бескорпусных полупроводниковых силовых элементов из-за несогласованности температурного коэффициента расширения (ТКР) медной пластины-теплоотвода, используемой в силовом модуле, с ТКР керамики.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и мощности силового модуля за счет повышения эффективности отвода тепла от бескорпусных полупроводниковых силовых элементов, снижения величины теплового сопротивления «кристалл-корпус» и уменьшения величины омического сопротивления «кристалл-вывод».
Для достижения указанного технического результата предложен силовой модуль, содержащий корпус, коммутационную плату с электрической схемой, бескорпусные силовые полупроводниковые элементы, перемычки и электропроводящие силовые выводы, выполненные в виде цельнометаллической пластины с большой площадью поверхности, у которых первые участки, расположенные внутри корпуса, закреплены на коммутационной плате и используются в качестве термокомпенсаторов, к поверхности которых припаяны кристаллы силовых элементов и электропроводящие перемычки, а вторые участки, выходящие за пределы корпуса, используются как присоединительные выводы.
Выводы выполнены из электропроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности, и значением ТКР, близким к значению ТКР кремния (от 4,6 до 5,6⋅10-6 К-1), на основе которого выполнены кристаллы силовых элементов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция силового полупроводникового модуля, на фиг. 2 представлен внешний вид образца силового полупроводникового модуля, где:
1 - входной электропроводящий силовой вывод,
2 - выходной электропроводящий силовой вывод,
3 - коммутационная плата с электрической схемой,
4 - бескорпусные силовые полупроводниковые элементы,
5 - электропроводящие перемычки,
6 - корпус.
Внешний вид образца силового полупроводникового модуля (показан со снятой крышкой) представленный на фиг. 2, содержит корпус, коммутационную плату, три электропроводящих силовых вывода и установленные на них бескорпусные силовые полупроводниковые элементы с электропроводящими перемычками.
Электропроводящие силовые выводы, фиг. 1 (входной 1 и выходной 2), крепятся на коммутационной плате 3 и являются основанием для установленных на них силовых полупроводниковых элементов 4 с электропроводящими перемычками 5, корпус 6 является теплоприемником.
Эффективность отвода тепла зависит не только от удельной теплопроводности материала выводов, но также от геометрии выводов - толщины и площади [6]. Геометрия пластины вывода обусловлена ее двойным назначением и может иметь форму плоского удлиненного параллелепипеда с максимально возможной площадью поверхности и минимальной толщиной, необходимой для обеспечения механической прочности, чтобы воспринимать с незначительной деформацией высокие напряжения, возникающие при нагреве и охлаждении. Вдоль поверхности вывода тепло переносится с помощью электрического тока, а через толщину пластины вывода переносится по механизму теплопроводности, при этом создается возможность теплообмена не только между соседними областями внутри корпуса силового модуля, но и снаружи.
Тепловое сопротивление «кристалл-корпус» минимизировано за счет монтажа силового модуля пайкой. Для получения прочного соединения пайкой поверхности выводов 1, 2 покрывают слоем никеля.
Омическое сопротивление «кристалл-вывод» между бескорпусным силовым полупроводниковым элементом и вторым участком вывода минимально, поскольку вывод выполнен в виде цельнометаллической пластины с большой площадью сечения.
Примером конкретного исполнения силовых модулей с применением предлагаемой полезной модели может служить образец силового модуля (фиг. 2), выполненный в негерметичном металлическом корпусе, предназначенный для коммутации электрических силовых цепей постоянного напряжения до 70 B и постоянного тока до 50 A (импульсного - до 330 A).
Образец конструктивно представляет собой металлический корпус с силовыми выводами из молибдено-медного псевдосплава МД40, обладающего высокой теплопроводностью (более 220 Вт/м⋅°C) и большой механической прочностью, толщиной 0,5 мм, шириной 9 мм, покрытыми никелем толщиной 6 мкм.
Силовые выводы установлены на подложку пайкой припоем ПСрОС 3,5-95. На силовые выводы установлены полевые транзисторы 2П835А-5 и диоды 2ДШ2125Д-5 на припой ПОС 61. Внутрисхемные соединения силовых транзисторов и диодов выполнены проволокой АОЦПоМ-200А диаметром 0,2 мм, не менее 8 перемычек на элемент, методом ультразвуковой сварки.
Материал активных элементов - кремний, двуокись кремния.
Омическое сопротивление «кристалл-вывод» в цепи транспортировки тока от входного вывода 1 к силовому элементу 4 и далее к выходному выводу 2 через перемычки 5, в открытом состоянии составляет не более 4 мОм, при токах от 25 до 50 А.
Типовое значение сопротивления открытого канала, полученное на изготовленных образцах, составляет 2,5 - 2,6 мОм.
Отверстия на концах силовых выводов используются для механического крепления силового модуля при его эксплуатации, а используемый для этого металлический крепеж может являться дополнительным теплоприемником.
Литература
1. Силовая электроника №2, 2009 г. Монтаж кристаллов IGBT силовых транзисторов В.Л. Ланин, Л.П. Ануфриев.
2. Ануфриев Л.П., Ланин В.Л., Солодуха В.А., Керенцев В.Ф. Монтаж кристаллов IGBT транзисторов / Материалы НПК «Современные информационные и электронные технологии», Одесса 21-23 мая 2007 г. /.
3. Ньюман П. Эффективность преобразования и совершенствование технологий силовых модулей // Компоненты и технологии 2008, №3.
4. Патент RU 160165 U1 (H01L 25/04 (2014.01).
5. Патент RU 2350055 C1 (H05K 1/18 (2006.01), H05K 7/20 (2006.01).
6. А.С. Гладков и др. Металлы и сплавы для электровакуумных приборов. «Энергия», Москва, 1969, стр. 508.
Claims (3)
1. Силовой модуль, содержащий корпус, коммутационную плату с электрической схемой, бескорпусные силовые полупроводниковые элементы, перемычки и электропроводящие силовые выводы, отличающийся тем, что электропроводящие силовые выводы выполнены в виде цельнометаллической пластины с большой площадью поверхности, при этом первые участки выводов, расположенные внутри корпуса, закреплены на коммутационной плате и используются в качестве термокомпенсаторов, к поверхности которых припаяны кристаллы силовых элементов и электропроводящие перемычки, а вторые участки, выходящие наружу корпуса, используются как присоединительные выводы.
2. Силовой модуль по п. 1, отличающийся тем, что выводы выполнены из электропроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности, и значением ТКР, близким к значению ТКР кремния.
3. Силовой модуль по п. 1, отличающийся тем, что присоединительные выводы имеют отверстия для механического крепления.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017137982U RU180437U1 (ru) | 2017-10-31 | 2017-10-31 | Силовой модуль |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017137982U RU180437U1 (ru) | 2017-10-31 | 2017-10-31 | Силовой модуль |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU180437U1 true RU180437U1 (ru) | 2018-06-14 |
Family
ID=62619604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017137982U RU180437U1 (ru) | 2017-10-31 | 2017-10-31 | Силовой модуль |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU180437U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2778034C1 (ru) * | 2021-06-03 | 2022-08-12 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Микромодуль космического назначения |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5579217A (en) * | 1991-07-10 | 1996-11-26 | Kenetech Windpower, Inc. | Laminated bus assembly and coupling apparatus for a high power electrical switching converter |
| EP0772235A2 (en) * | 1995-10-25 | 1997-05-07 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device comprising a circuit substrate and a case |
| RU2302686C2 (ru) * | 2001-06-01 | 2007-07-10 | Абб Швайц Аг | Силовой полупроводниковый модуль |
| RU2350055C1 (ru) * | 2008-01-29 | 2009-03-20 | Евгений Эдуардович Горохов-Мирошников | Модуль, состоящий из подложки, силовых приборов, электрической схемы и теплоотвода |
| RU2503118C1 (ru) * | 2012-07-25 | 2013-12-27 | Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") | Силовой модуль |
-
2017
- 2017-10-31 RU RU2017137982U patent/RU180437U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5579217A (en) * | 1991-07-10 | 1996-11-26 | Kenetech Windpower, Inc. | Laminated bus assembly and coupling apparatus for a high power electrical switching converter |
| EP0772235A2 (en) * | 1995-10-25 | 1997-05-07 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device comprising a circuit substrate and a case |
| RU2302686C2 (ru) * | 2001-06-01 | 2007-07-10 | Абб Швайц Аг | Силовой полупроводниковый модуль |
| RU2350055C1 (ru) * | 2008-01-29 | 2009-03-20 | Евгений Эдуардович Горохов-Мирошников | Модуль, состоящий из подложки, силовых приборов, электрической схемы и теплоотвода |
| RU2503118C1 (ru) * | 2012-07-25 | 2013-12-27 | Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") | Силовой модуль |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2778034C1 (ru) * | 2021-06-03 | 2022-08-12 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Микромодуль космического назначения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8057094B2 (en) | Power semiconductor module with temperature measurement | |
| JP5326760B2 (ja) | 電力変換装置 | |
| US4218694A (en) | Rectifying apparatus including six semiconductor diodes sandwiched between ceramic wafers | |
| US10192811B2 (en) | Power semiconductor device | |
| JP5851599B2 (ja) | パワーモジュール | |
| JP6003624B2 (ja) | 半導体モジュール | |
| CN110660762A (zh) | 热传递结构、电力电子模块及其制造方法以及冷却元件 | |
| JP4146888B2 (ja) | 半導体モジュールと半導体モジュールの製造方法 | |
| US7470983B2 (en) | Semiconductor device reducing warping due to heat production | |
| KR100663117B1 (ko) | 열전 모듈 | |
| RU180437U1 (ru) | Силовой модуль | |
| CN113097155A (zh) | 一种芯片导热模块及其制备方法 | |
| JP7070661B2 (ja) | 半導体装置 | |
| EP3513432B1 (en) | Press-pack power module | |
| JP2014116478A (ja) | 半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法並びに電力変換装置 | |
| JP5925328B2 (ja) | パワー半導体モジュール | |
| EP3376538B1 (en) | Semiconductor arrangement with controllable semiconductor elements | |
| US20230093166A1 (en) | Integrated voltage regulator | |
| KR101079325B1 (ko) | 금속박판을 사용하는 열전소자 | |
| US20230230928A1 (en) | Substrate, packaged structure, and electronic device | |
| US20230052028A1 (en) | Power semiconductor cooling assembly | |
| CN113597671B (zh) | 半导体装置 | |
| US20230378145A1 (en) | Flip-Chip Packaged Power Transistor Module Having Built-in Gate Driver | |
| US20230011922A1 (en) | Circuit board module | |
| JP2011176087A (ja) | 半導体モジュール、及び電力変換装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20201101 |