ES2292524T3 - Modulo semiconductor de potencia. - Google Patents
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Abstract
Módulo semiconductor de potencia con, como mínimo, un primer elemento de conexión eléctrica (20), como mínimo un sándwich dispuesto encima del mismo y formado por un primer cuerpo de metal laminar (12), un elemento semiconductor (11), así como un segundo cuerpo de metal laminar (10) con, como mínimo, un elemento de presión (34, 35, 36), como mínimo un segundo elemento de conexión eléctrica (37) así como una caja, estando el sándwich dispuesto de forma centrada sobre el primer elemento de conexión eléctrica (20) mediante un dispositivo de centrado (9) a modo de bastidor que consta de dos cuerpos (1), estando el dispositivo de centrado (9) realizado de tal manera que el primer cuerpo de metal laminar (12) así como el segundo cuerpo de metal laminar (10) quedan retenidos por pestañas (2) en el dispositivo de centrado (9) evitando su caída del mismo, estando dispuesto el elemento semiconductor (11), que tiene un diámetro mayor o un largo de canto mayor que los cuerpos de metal laminares (10, 12), en otra escotadura (3) que se extiende de forma céntrica y paralela con respecto a las superficies en el dispositivo de centrado, así como en el primer elemento de conexión eléctrica (20) están dispuestas escotaduras (21), realizadas de tal manera que las pestañas (2) del dispositivo de centrado (9) destinadas a sujetar el primer cuerpo de metal laminar (12) en el dispositivo de centrado pueden estar dispuestas más que completamente dentro de dichas escotaduras (21), y siendo el grosor del sándwich inferior a la distancia de las pestañas (2) dispuestas a ambos lados a efectos de sujetar ambos cuerpos de metal laminares (10, 12).
Description
Módulo semiconductor de potencia.
En la presente invención se describe un módulo
semiconductor de potencia que, al establecerse un contacto de
presión con las conexiones de potencia de, como mínimo, un elemento
semiconductor contenido en el mismo, presenta una presión constante
de las estructuras internas, aún estando expuesto a las temperaturas
más diversas y resulta, por lo tanto, apropiado para un
funcionamiento seguro en el ámbito de la alta potencia con la
densidad de corriente más elevada.
La invención describe un módulo semiconductor de
potencia, en especial, un módulo rectificador de corriente, que,
realizado mediante contacto de presión resulta apropiado para
requerimientos de muy alta potencia. Las conexiones de contacto de
presión se conocen ampliamente de la tecnología de la producción de
módulos semiconductores como técnica de unión. Por la patente DE
196 51 632 A1 se conoce un módulo semiconductor de potencia de este
tipo, en el que el contacto de presión se realiza mediante tornillos
de dilatación, y del cual parte la presente invención. Módulos
semiconductores de potencia en forma de células tipo disco, tales
como se conocen por la patente DE 33 08 661, constituyen de la
misma manera el punto de partido de la presente invención.
La construcción del contacto de presión en el
interior del módulo, en especial, el presionar el contacto sobre el
elemento semiconductor, conlleva en la práctica diferentes
dificultades. Por un lado, se han de superar los diferentes
coeficientes de dilatación térmica del elemento semiconductor y del
contacto, por otro lado, el elemento semiconductor casi siempre
redondo ha de ser centrado muy exactamente con respecto a los
contactos. El elemento semiconductor, en especial, el borde del
mismo, ha de protegerse en este caso contra daños mecánicos.
En la práctica, el elemento semiconductor está
unido a ambos lados con sendos cuerpos de metal laminares, cuyo
coeficiente de dilatación térmica se sitúa entre el coeficiente de
dilatación térmica del elemento semiconductor y el coeficiente de
dilatación térmica del contacto, a efectos de reducir el estrés
térmico para el elemento semiconductor. La unión del elemento
semiconductor con el cuerpo de metal laminar que, preferentemente,
está formado por molibdeno, puede realizarse mediante distintos
procedimientos, por ejemplo, por soldadura o pegado de ambas
partes. Asimismo, se conoce lo que se denomina una unión a baja
temperatura (NTV) o también una aleación de ambas partes. El cuerpo
de metal laminar presenta, típicamente, un grosor del orden de
algunas décimas hasta unos pocos milímetros. La unión, realizada
según se ha descrito arriba, entre el primer cuerpo de metal
laminar -elemento semiconductor- y el segundo cuerpo de metal
laminar también se denomina "sándwich", además, también se
denominará sándwich la unión con interposición de material, así como
también la unión enrasada o a tope de materiales.
El sándwich se coloca, según el estado de la
técnica, por ejemplo, sobre una pieza, por ejemplo, de plástico,
que centra el sándwich en el módulo tal como se ha dado a conocer en
la patente DE 196 51 632. Sobre todo, en módulos con gran rigidez
dieléctrica se conoce que el sándwich se recubre adicionalmente por
extrusión con una masa elástica no conductora, haciéndolo de esta
manera accesible al centrado con respecto a los elementos de
conexión.
Los procedimientos de fabricación del sándwich
arriba indicados presentan los siguientes inconvenientes:
- La soldadura del elemento semiconductor con el
cuerpo de metal laminar empeora la resistencia térmica, ya que la
capa de soldadura constituye un freno térmico. En sistemas de
contacto de presión esta capa de soldadura resulta ser un punto
débil adicional, ya que en el funcionamiento continuo ésta se fatiga
y acaba reduciendo la vida útil del módulo semiconductor de
potencia.
- El pegado del semiconductor de potencia con
los cuerpos de metal laminares no se realiza en toda la superficie
entre las partes -esto empeoraría la resistencia térmica todavía
mucho más que la soldadura-, sino que sólo se pegan unos milímetros
en el borde de las partes a efectos de establecer un contacto fijo.
Esto conlleva otro problema: Para que no quede aire encerrado entre
las partes -esto empeoraría a su vez la transición térmica- este
sándwich ha de ser presionado tras su pegado. En este caso, existe
un mayor peligro de rotura del elemento semiconductor cristalino
dado que, debido al borde de pegamento, se puede doblar por la
mitad.
- La unión a baja temperatura (NTV) de las
partes es un procedimiento de unión enrasada de materiales que
elimina los inconvenientes antes descritos, dado que la unión
asegura una muy buena transición térmica. En este procedimiento se
unen las partes mediante presión y temperatura. El inconveniente
decisivo de este procedimiento consiste en que la realización es
muy laboriosa y, por lo tanto, muy costosa. Por esto no se utiliza
para módulos estándar según el estado de la técnica.
- El procedimiento adicional del recubrimiento
del sándwich por extrusión también es un proceso de acabado
laborioso que contribuye a aumentar los costes de producción.
En resumen, resulta que los procedimientos antes
indicados empeoran la resistencia térmica de la construcción,
reducen la resistencia a la fatiga, aumentan el riesgo de rotura del
semiconductor de potencia y/o resultan muy costosos.
Por la patente EP 0 694 964 A2 también se conoce
un módulo semiconductor de potencia en forma de célula tipo disco.
En este caso, se da a conocer un sándwich del tipo arriba indicado
con un soporte que envuelve los dos cuerpos de metal laminares,
envolviendo dicho soporte el sándwich de manera que recubre los
cuerpos de metal de forma circunferencial y con acoplamiento de
forma.
La invención tiene el objetivo de encontrar un
centrado de las componentes individuales del sándwich entre sí y
con respecto a un elemento de conexión para la conexión eléctrica,
que presente una reducida resistencia térmica, que aumente la
durabilidad, excluya la rotura del elemento semiconductor por la
presión ejercida por el mismo centrado y se pueda integrar de forma
económica en un procedimiento de producción estándar.
El problema se resuelve, según la invención,
mediante las medidas indicadas en las características de la
reivindicación 1. Las realizaciones preferentes están descritas en
las subreivindicaciones.
El dispositivo de centrado, compuesto
preferentemente de un material plástico eléctricamente aislante y
realizado a modo de bastidor para el centrado del sándwich sobre un
elemento de conexión eléctrico, presenta las siguientes
características:
- Los elementos individuales del sándwich, es
decir, los dos cuerpos de metal laminares así como el elemento
semiconductor, no están unidos mediante una unión con interposición
de materiales como, por ejemplo, la soldadura, sino que se
encuentran sueltos en el dispositivo de centrado antes de su
incorporación en el módulo semiconductor de potencia. Sólo por la
incorporación y por el dispositivo de presión que carga a presión se
forma una unión enrasada o a tope de los elementos
individuales.
- Ambos cuerpos de metal laminares del sándwich
se fijan antes de su incorporación en el módulo semiconductor de
potencia mediante pestañas para evitar que se caigan. El elemento
semiconductor, que presenta un mayor diámetro o un mayor largo de
canto que los dos cuerpos de metal, está sujetado por otra
escotadura que se extiende de forma centrada y paralela con
respecto a las superficies del dispositivo de centrado. A efectos
de asegurar que ni antes ni después de la incorporación del
dispositivo de centrado, inclusive el sándwich, se ejerce una
presión sobre el sándwich por el mismo dispositivo de centrado, lo
cual podría provocar, por ejemplo, la destrucción del elemento
semiconductor, se han de respetar las siguientes condiciones
geométricas para el borde.
- El mismo elemento semiconductor ha de
presentar un grosor (d) inferior al grosor (b) de la escotadura que
se extiende de forma centrada en el dispositivo de centrado a
efectos de sujetar el elemento semiconductor.
- El grosor (c + d + c) del sándwich ha de ser
inferior a la distancia (a + b + a) de las pestañas dispuestas a
ambos lados a efectos de sujetar los cuerpos de metal
laminares.
- La suma del grosor (d) del elemento
semiconductor más el grosor (c) de uno de ambos cuerpos de metal
laminares que, preferentemente, presentan el mismo grosor, ha de
ser superior al grosor (b) de la escotadura que se extiende de
forma céntrica en el dispositivo de centrado a efectos de sujetar el
elemento semiconductor.
- El grosor (d) del elemento semiconductor más
el grosor (c) de uno de ambos cuerpos de metal laminares que,
preferentemente, presentan el mismo grosor, ha de ser inferior a la
suma del grosor (b) de la escotadura que se extiende de forma
céntrica más la distancia (a) entre la escotadura central y las
pestañas.
De esta manera se consigue que el dispositivo de
centrado esté adecuado para recibir cuerpos de metal laminares de
distintos grosores así como elementos semiconductores de distintos
grosores.
- Debido a estas condiciones de borde así como
por la disposición de escotaduras dentro del elemento de conexión
eléctrica de manera que las pestañas destinadas a sujetar los
cuerpos de metal laminares se hunden, como mínimo, por completo en
estos escotaduras al montar el módulo, se asegura que, una vez
montado, el dispositivo de centrado en sí no ejerce ninguna presión
sobre el sándwich o sus componentes. La unión con interposición de
material se produce exclusivamente a través del elemento de presión
que se halla en el módulo semiconductor de potencia.
- El dispositivo de centrado en sí consta
preferentemente de dos partes idénticas, que presentan otras
pestañas y escotaduras, estando realizadas de tal manera que ambas
partes pueden ensamblarse por encaje.
La idea de la invención se explicará más
detalladamente por medio de los ejemplos de realización mostrados en
las figuras 1 a 7.
En la figura 1 se muestra el dispositivo de
centrado, según la invención, en una sección transversal, antes de
su montaje en el módulo semiconductor de potencia.
En la figura 2 se muestra una de las dos partes
idénticas del dispositivo de centrado de la invención en una vista
en planta.
En la figura 3 se muestra la parte de la figura
2 en una vista tridimensional.
En la figura 4 se muestra un corte a través del
dispositivo de centrado de la invención, incluido el sándwich.
En la figura 5 se muestra el dispositivo de
centrado de la invención en una sección transversal tras su montaje
en un módulo semiconductor de potencia.
En la figura 6 se muestra un elemento de
conexión eléctrica de un módulo semiconductor de potencia.
En la figura 7 se muestra la construcción
interna de un módulo semiconductor de potencia incluido el
dispositivo de centrado de la invención.
En la figura 1 se muestra el dispositivo de
centrado (9) a modo de bastidor, según la invención, en una sección
transversal antes de su montaje en el módulo semiconductor de
potencia. El dispositivo de centrado (9) consta de dos partes
idénticas (1). Estas partes realizadas preferentemente en un
material plástico presentan pestañas (2) que retienen un primer
cuerpo de metal laminar (12), en este caso, un disco de molibdeno
evitando que se caiga del conjunto del dispositivo de centrado. El
elemento semiconductor (11), que presenta un diámetro más grande
que los dos discos de molibdeno (10, 12), se halla en la escotadura
central (3) del dispositivo de centrado. Antes de su montaje, el
segundo disco de molibdeno (10) se encuentra colocado de forma
suelta sobre el elemento semiconductor (11). Mediante el
dispositivo de centrado (9) los elementos (10, 11, 12) que
constituyen el sándwich se pueden centrar entre sí antes del
montaje,
sin que se haya de establecer una unión con interposición de material o enrasada de materiales antes de este momento.
sin que se haya de establecer una unión con interposición de material o enrasada de materiales antes de este momento.
La distancia de las pestañas (2) con respecto al
borde de la escotadura (3) se señala con (a), la altura de la
escotadura (3) con (b). El grosor de los discos de molibdeno se
señala con (c) y el grosor del elemento semiconductor con (d).
Dado que el grosor (d) del elemento
semiconductor (11) más el grosor (a) del disco de molibdeno (10 ó
12) es mayor que el grosor (b) de la escotadura (3), en ningún
momento el disco de molibdeno puede hallarse de forma descentrada
con respecto a los demás elementos parcialmente dentro de dicho
escotadura. De esta forma, el sándwich centrado se puede manejar
sin problemas.
En la figura 2 se muestra, no a escala, una de
ambas partes idénticas (1) del dispositivo de centrado (9) de la
invención en una vista en planta. Las pestañas (2) están dispuestas
de tal manera que el disco de molibdeno (10, 12) queda retenido,
evitando que se pueda caer del conjunto. La parte (1) presenta
adicionalmente pestañas (4) y escotaduras (5). Estas están
realizadas de tal manera que dos de estas partes (1) pueden
ensamblarse, encajando cada pestaña (4) en una escotadura (5)
respectivamente y ensamblando de esta manera ambas partes con
encaje para constituir una unidad formada por el dispositivo de
centrado y el sándwich.
En la figura 3 se muestra la parte (1) de la
figura 2 en una vista tridimensional. Adicionalmente a las pestañas
(2), las pestañas (4) y las correspondientes escotaduras (5),
también existe otra escotadura (6) destinada a poder proveer de
alimentación eléctrica las conexiones de control adicionales del
elemento semiconductor.
En la figura 4 se muestra el dispositivo de
centrado (9), según la invención, incluido el sándwich en una
sección transversal. Uno de los cuerpos de metal laminares está
realizado en forma de anillo (10) a efectos de mantener accesible
la conexión de control del elemento semiconductor (11).
En la figura 5 se muestra el dispositivo de
centrado (9) a modo de bastidor, según la invención, en una sección
transversal tras su montaje en un módulo semiconductor de potencia.
Un primer elemento de conexión eléctrica (20) presenta escotaduras
(21) en las que las pestañas (2) pueden hundirse más que
completamente. El primer disco de molibdeno (12) se apoya
directamente sobre el elemento de conexión eléctrica (20), encima
del mismo se halla sin distancia el elemento semiconductor (11) así
como el segundo disco de molibdeno (10). Es evidente que el
dispositivo de centrado en sí no ejerce ninguna presión sobre el
sándwich (10, 11, 12) y, por lo tanto, queda excluida una
influencia negativa, por ejemplo, una destrucción. Un descentrado de
los elementos individuales está excluido por motivos análogos,
compárese la descripción de la figura 1. La unión con interposición
de los elementos del sándwich se establece por un dispositivo de
presión que actúa desde arriba sobre el sándwich, pero no sobre el
dispositivo de centrado. El dispositivo de centrado (9), según la
invención, puede construirse por lo tanto como conjunto antes de la
fabricación del módulo con el sándwich y actúa a partir de este
momento como centrado de todos los elementos del sándwich sin
ejercer presión sobre dichos elementos.
En la figura 6 se muestra un elemento de
conexión eléctrica (20) de un módulo semiconductor de potencia para
dos elementos semiconductores, es decir, por ejemplo, un módulo de
tiristor. En este caso, se aprecian las escotaduras (21) para las
pestañas (2).
En la figura 7 se muestra la construcción
interna del módulo semiconductor de potencia (módulo de tiristor)
incluido el dispositivo de centrado (9), según la invención. El
módulo consta de una placa base (31). Encima de la misma se hallan
dos discos de material aislante (32) que pueden estar formados, a
título de ejemplo, de óxido de aluminio o de nitruro de aluminio y
están destinados al aislamiento eléctrico del primer elemento de
conexión eléctrica (20). Encima del mismo se encuentra el sándwich
en el dispositivo de centrado (9) con una escotadura para las
conexiones de control (6). El segundo elemento de conexión eléctrica
(37) es presionado sobre el sándwich mediante la placa de presión
(34) y los tornillos de dilatación (35) que establecen la presión,
estando los elementos que trasmiten la presión aislados
eléctricamente mediante un cuerpo de material aislante (36).
Mediante esta construcción se forma un contacto a tope o enrasado
del elemento de conexión eléctrica (37) con el segundo disco de
molibdeno (10), el elemento semiconductor (11), el primer disco de
molibdeno (12), así como el primer elemento de conexión eléctrica
(20).
Claims (10)
1. Módulo semiconductor de potencia con, como
mínimo, un primer elemento de conexión eléctrica (20), como mínimo
un sándwich dispuesto encima del mismo y formado por un primer
cuerpo de metal laminar (12), un elemento semiconductor (11), así
como un segundo cuerpo de metal laminar (10) con, como mínimo, un
elemento de presión (34, 35, 36), como mínimo un segundo elemento
de conexión eléctrica (37) así como una caja, estando el sándwich
dispuesto de forma centrada sobre el primer elemento de conexión
eléctrica (20) mediante un dispositivo de centrado (9) a modo de
bastidor que consta de dos cuerpos (1), estando el dispositivo de
centrado (9) realizado de tal manera que el primer cuerpo de metal
laminar (12) así como el segundo cuerpo de metal laminar (10)
quedan retenidos por pestañas (2) en el dispositivo de centrado (9)
evitando su caída del mismo, estando dispuesto el elemento
semiconductor (11), que tiene un diámetro mayor o un largo de canto
mayor que los cuerpos de metal laminares (10, 12), en otra
escotadura (3) que se extiende de forma céntrica y paralela con
respecto a las superficies en el dispositivo de centrado, así como
en el primer elemento de conexión eléctrica (20) están dispuestas
escotaduras (21), realizadas de tal manera que las pestañas (2) del
dispositivo de centrado (9) destinadas a sujetar el primer cuerpo
de metal laminar (12) en el dispositivo de centrado pueden estar
dispuestas más que completamente dentro de dichas escotaduras (21),
y siendo el grosor del sándwich inferior a la distancia de las
pestañas (2) dispuestas a ambos lados a efectos de sujetar ambos
cuerpos de metal laminares (10, 12).
2. Módulo semiconductor de potencia, según
reivindicación 1, caracterizado porque ambas partes del
dispositivo de centrado (9) están formadas por un material plástico
no conductor.
3. Módulo semiconductor de potencia, según la
reivindicación 1, caracterizado porque ambas partes (1) del
dispositivo de centrado (9) presentan otras pestañas (4) y
escotaduras (5), estando realizadas de tal manera que ambas partes
pueden ensamblarse por encaje.
4. Módulo semiconductor de potencia, según la
reivindicación 1, caracterizado porque como elemento
semiconductor (11) se utilizan diodos, tiristores o
transistores.
5. Módulo semiconductor de potencia, según la
reivindicación 1, caracterizado porque los cuerpos de metal
laminares (10, 12) están realizados en molibdeno.
6. Módulo semiconductor de potencia, según la
reivindicación 1, caracterizado porque el sándwich, así como
el dispositivo de centrado (9), están realizados de forma redonda o
cuadrada.
7. Módulo semiconductor de potencia, según la
reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de
centrado (9) presenta, como mínimo, una escotadura de borde
adicional (6) para realizar, como mínimo, una conexión de control
del elemento semiconductor.
8. Módulo semiconductor de potencia, según la
reivindicación 1, caracterizado porque para establecer un
contacto con eventuales conexiones de control dispuestas en el
elemento semiconductor (11), un cuerpo o ambos cuerpos de metal
laminares (10, 12) del sándwich presentan un paso o varios
pasos.
9. Módulo semiconductor de potencia, según la
reivindicación 1, caracterizado porque el elemento
semiconductor (11) presenta un grosor más reducido que la
escotadura (3) que se extiende céntricamente en el dispositivo de
centrado (9), a efectos de sujetar el elemento semiconductor
(11).
10. Módulo semiconductor de potencia, según la
reivindicación 1, caracterizado porque el grosor del elemento
semiconductor (11) más el grosor de uno de ambos cuerpos de metal
laminares (10, 12), que presentan preferentemente el mismo grosor,
conjuntamente son superiores al grosor de la escotadura (3) que se
extiende céntricamente en el dispositivo de centrado a efectos de
sujetar el elemento semiconductor (11), así como inferiores al
grosor de la escotadura céntrica (3) más la distancia de la
escotadura céntrica (3) con respecto a la pestaña (2) que se
encuentra más cerca de la misma.
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