ES2298303T3 - Modulo semiconductor de potencia con contacto a presion. - Google Patents
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Abstract
Módulo de semiconductores de potencia, compuesto de una carcasa, un sustrato cerámico 2, áreas de contacto 3 configuradas y electroconductoras dispuestas sobre dicho sustrato cerámico conforme al circuito, componentes 8 dispuestos sobre dicho sustrato cerámico, contactados por medio de una placa flexible 9 dispuesta como mínimo en parte por encima de su primera superficie principal dotada de circuitos impresos y áreas de contacto, conectando esta placa flexible 9 de circuitos impresos, los componentes 8 entre sí, conforme al circuito y/o con las áreas de contacto 3 del sustrato 2, estableciendo así la placa flexible de circuitos impresos 9 la conexión eléctrica del módulo conforme al circuito y/o que establece la conexión conforme al circuito a las áreas de contacto 6 de cómo mínimo una placa de circuitos impresos externa 5, así como de un contacto a presión compuesto de un acumulador flexible de presión 10 y una placa de presión 11 generadora de la presión y conexiones de potencia y de control, caracterizado porque para aislar entre sí los componentes 8, se incorpora un material aislante flexible 20 y se establece el contacto de la placa flexible de circuitos impresos 9 con los componentes 8 por medio de botones nodulares 21, de tal forma que se establece una conexión electroconductora segura al aplicar presión por medio del contacto a presión.
Description
Módulo semiconductor de potencia con contacto a
presión.
El invento describe un módulo semiconductor de
potencia con componentes activos y/o pasivos, en especial un módulo
convertidor de potencia según el preámbulo de la reivindicación 1.
Módulos semiconductores de potencia de este tipo se conocen de la
literatura. Para aumentar la capacidad, la fiabilidad y la vida útil
con una simultánea reducción de costes de fabricación, son
condición indispensable métodos diferentes de las tecnologías de
conformación de componentes.
Los módulos semiconductores de potencia
modernos, punto inicial de este invento, son módulos sin placa base,
como se describe, por ejemplo, en el documento DE 199 03 875 A1,
compuestos de
- \bullet
- una carcasa;
- \bullet
- un sustrato cerámico con recubrimientos metálicos dispuestos sobre el mismo conforme al circuito, producidos, por ejemplo, según el procedimiento DCB (directo copper bonding);
- \bullet
- componentes, como por ejemplo diodos, transistores, resistores o sensores, en unión directa sobre dicho sustrato por medio de técnicas de soldadura;
- \bullet
- uniones por pegado para conectar el lado estructurado de los componentes con otros componentes, el sustrato y/o elementos de conexión que conducen hacia fuera;
- \bullet
- una masa de relleno compuesta preferentemente de caucho silicónico para el aislamiento entre sí de los diferentes componentes.
En los módulos de semiconductores de potencia
de este tipo, para el contacto térmico del módulo sobre un cuerpo
refrigerante ha quedado demostrada como muy ventajosa la tecnología
de conformación mediante contacto a presión. Ha quedado comprobado
que la calidad de las soldaduras son muy difíciles de dominar, en
especial aquellas de gran superficie, con lo que sufren la
fiabilidad y la vida útil de los módulos de semiconductores de
potencia.
La formación de la presión en módulos de
semiconductores de potencia de este tipo contactados a presión se
consigue por medio de una placa de presión mecánicamente estable.
Dependiendo de la configuración posterior, la presión generada
puede transmitirse directamente al sustrato mediante configuraciones
especiales de la placa de presión, como se muestra, por ejemplo, en
el documento DE 196 48 562 C1, o mediante un acumulador elástico de
presión según el documento DE 199 03 875 A1.
Por el documento DE 41 32 947 A1 se conocen
placas flexibles de circuitos impresos, así como la utilización de
pastas electroconductoras y/o aislantes en módulos semiconductores
de potencia. Las mismas se utilizan como sustituto de los sustratos
cerámicos, así como para la unión entre los componentes.
En el documento US 4 180 828 se describe la
conexión de un componente con los circuitos impresos de un sustrato
a través de una película flexible. El contacto eléctrico entre la
película y el componente o entre la película y los circuitos
impresos se establece mediante soldadura blanda o pegado.
Los procedimientos de fabricación según el
documento DE 196 48 562 C1 o DE 199 03 875 A1 tiene la desventaja
que, como es habitual en módulos modernos, deben conectarse entre sí
y/o con el sustrato una pluralidad de componentes. Técnicamente se
consigue por medio de una pluralidad de uniones individuales. Es muy
común encontrar hasta 10 soldaduras sin aporte por presión por
componente. Debido a que estas soldaduras sin aporte por presión se
producen en serie, su fabricación consume un tiempo considerable y
constituye con ello una parte sustancial del coste de fabricación
del módulo.
El procedimiento de fabricación según el
documento DE 41 32 947 A1 presenta en parte un diseño de capas
extremadamente complejo, y requiere continuar usando uniones
soldadas clásicas. Por consiguiente, no está garantizada una
configuración eficiente de módulos de semiconductores de
potencia.
Conforme al documento US 4 180 828, mediante la
técnica de soldadura o pegado se aplica la película flexible sobre
el componente o bien sobre los circuitos impresos del sustrato. La
producción práctica de uniones soldadas de este tipo es
dificultosa, debido a que el aporte térmico a través de la película
requiere técnicas especiales para evitar el deterioro o incluso la
destrucción de la película.
El documento US 5 267 867 da a conocer un
conjunto de múltiples circuitos integrados (Ics), dispuestos sobre
un sustrato refrigerante común. Sobre la superficie contraria a
ello, dichos Ics presentan botones nodulares de contacto que están
conectadas en forma electroconductora a botones nodulares de
contacto de una placa flexible de circuitos impresos que conecta
múltiples Ics. Para conseguir un contacto eficiente de esta
disposición, los diferentes Ics están rodeados de un marco.
El documento US 5 856 913 describe un módulo de
semiconductores de potencia, compuesto de un sustrato cerámico con
áreas de contacto electroconductoras dispuestas sobre el mismo de
forma estructurada y electroconductora, con componentes de potencia
dispuestos y un contacto a presión a una placa flexible de circuitos
impresos.
El documento US 5 659 952 describe una
disposición para la configuración de un módulo de semiconductores de
potencia, compuesto de un sustrato, componentes de potencia
dispuestos y múltiples capas aislantes flexibles, entre las que
existe incorporado un material aislante flexible para aislar los
componentes electroconductores y, al mismo tiempo, permitir una
disipación del calor.
El presente invento tiene el objetivo de crear
un módulo de semiconductores de potencia en el que puede eliminarse
al menos en parte la necesidad de uniones pegadas y/o soldadas entre
los diferentes componentes de semiconductores o bien entre
componentes de semiconductores y diferentes áreas de contacto, por
ejemplo, las del sustrato, y que presenta como mínimo una calidad
equivalente al estado actual de la técnica en términos de vida útil
y fiabilidad, y puedan fabricarse a coste económico. Un objetivo
adicional consiste en simplificar el aislamiento de los diferentes
componentes entre sí.
El objetivo se consigue mediante las medidas de
la parte caracterizante de la reivindicación 1, así como el objetivo
complementario se consigue mediante las medidas de la parte
caracterizante de la reivindicación 2. Otras configuraciones
ventajosas se mencionan en las subreivindicaciones. De este modo, a
continuación no se entenderán como placas de circuitos impresos sólo
las construcciones esencialmente rígidas, sino también desarrollos
modernos flexibles, tales como son descritas en el actual estado de
la técnica. Las mismas son denominadas en adelante "placas
flexibles de circuitos impresos" y para el contacto eléctrico se
caracterizan por una conformación de diferentes circuitos impresos
aislados entre sí, así como respecto de la superficie, y áreas de
contacto no aisladas respecto de la superficie.
En la fabricación de módulos de semiconductores
de potencia económicos y, al mismo tiempo, de una fiabilidad y vida
útil elevadas, deben sustituirse etapas de producción especialmente
complejas por soluciones más sencillas y rápidas de implementar.
Particularmente consumidor de tiempo es dotar al módulo de
semiconductores de potencia de los componentes de semiconductores y
su posterior cableado conforme al circuito por medio de uniones
pegadas.
La configuración según el invento de un cableado
conforme al circuito se realiza, como mínimo en parte, mediante una
placa flexible de circuitos impresos en vez de las soldaduras sin
aporte por presión. Las soldaduras sin aporte por presión se
realizan en forma seriada, mientras que la conexión por medio de la
placa flexible de circuitos impresos requiere sólo una operación
realizable rápidamente. Debido a las desventajas antes mencionadas
de uniones directas, especialmente de uniones soldadas, su uso se
limita en lo posible a unas pocas aplicaciones. Existen dos
alternativas equivalentes.
Los componentes de semiconductores se aplican
sobre las áreas de contacto del sustrato cerámico por unión directa,
estando las áreas de contacto del sustrato configuradas de forma que
realizan uniones conformes al circuito entre los diferentes
componentes de semiconductores. Por ejemplo, la unión directa puede
realizarse mediante soldadura blanda o por medio de un procedimiento
de pegado más moderno, que permite en parte también en sí mismo
conexiones más flexibles. El posterior cableado conforme al circuito
de los componentes de semiconductores entre sí y también con otras
áreas de contacto del sustrato, se realiza por medio de la placa
flexible de circuitos impresos. Esta placa de circuitos impresos es
conectada por unión al ras mediante el contacto a presión del módulo
contra las primeras superficies principales de los componentes de
semiconductores. Este contacto a presión consiste, según el actual
estado de la técnica, de un elemento acumulador de presión y una
placa de presión que incorpora la presión al sistema. La presión
necesaria para el contacto es producida solamente con la unión del
módulo de semiconductores de potencia al cuerpo refrigerante. De
este modo, el contacto eléctrico completo y fiable del módulo de
semiconductores de potencia se realiza simultáneamente con el
contacto térmico del módulo de semiconductores de potencia sobre el
cuerpo refrigerante.
Como segunda variante según el invento es
posible fijar los componentes de semiconductores a la placa flexible
de circuitos impresos mediante la unión directa, preferentemente por
medio de un proceso de pegado. Las conexiones conformes al circuito
sobre el sustrato, como así también en la placa flexible de
circuitos impresos, se realizan en forma análoga a la primera
configuración. Mediante la aplicación sobre el sustrato de la placa
flexible de circuitos impresos dotada de componentes de circuitos
impresos, se produce el cableado completo conforme al circuito del
módulo de semiconductores de potencia. La funcionalidad completa del
cableado se obtiene solamente con el contacto a presión antes
mencionado, incluyendo el contacto termoconductor con el cuerpo
refrigerante.
En aplicaciones especiales puede ser ventajosa
una forma mixta de ambas soluciones.
Ambas soluciones tienen la misma propiedad
ventajosa de que la fabricación de las conexiones electroconductoras
por unión al ras se produce por medio del contacto a presión ya
existente en el módulo de semiconductores de potencia, para el
contacto térmico con el cuerpo refrigerante.
La placa de circuitos impresos puede continuar
sirviendo como mínimo para el contacto parcial de las conexiones
externas de potencia y/o de control. En este caso son igualmente
concebibles variantes de contacto por unión al ras y/o unión
directa. En una variante de unión al ras, el contacto a presión del
módulo de semiconductores de potencia puede igualmente garantizar
una conexión duradera, es decir, un contacto permanente seguro.
La configuración, según el invento, del
aislamiento de los diferentes componentes entre sí se realiza
mediante una material aislante flexible. Este material aislante
puede presentar una estructura pastosa o esponjosa.
Preferentemente, el material aislante se aplica sobre las primeras
superficies principales, así como en los espacios entre los
componentes.
A continuación, en el siguiente proceso de
fabricación del módulo de semiconductores de potencia según el
invento se aplica la placa de circuito impreso. Sobre esta placa de
circuitos impresos se encuentra dispuestos botones nodulares sobre
el lado orientado a la primera superficie principal de los
componentes, de modo tal que se garantiza una unión conforme al
circuito. Debido a la aplicación de presión, los botones nodulares
desplazan el material de aislamiento en los puntos en los que es
necesario un contacto. A través de escotaduras apropiadas, el
material de aislamiento remanente es desalojado hacia fuera de la
zona entre el sustrato dotado de componentes y la placa flexible de
circuito impreso. De este modo se garantiza que mediante el contacto
a presión se establece, por un lado, un contacto eléctrico seguro
entre los componentes o bien las áreas de contacto del sustrato y
la placa flexible de circuitos impresos y, por otro lado, que el
espacio entre el sustrato dotado de componentes y la placa flexible
de circuitos impresos es rellenado completamente del material
aislante. Ello asegura el aislamiento entre los diferentes
componentes.
Se explican configuraciones especiales de la
solución conforme al invento sobre la base de las figuras 1 y 2. La
figura 2 muestra un detalle de la figura 1. Por motivos de claridad
se renunció a representar una carcasa.
En las figuras se muestra una sección de un
módulo de semiconductores de potencia que presenta las
características del invento en una configuración con el cuerpo
refrigerante 1. El cuerpo refrigerante 1 está conectado de forma
termoconductora con el sustrato 2, preferentemente cerámico. Esta
conexión por medio de una pasta conductora de calor, no mostrada, y
un recubrimiento plano metálico pegado, tampoco mostrado, de la
segunda superficie principal del sustrato 2 ha demostrado ser, según
el actual estado de la técnica, sobresaliente para evacuar la
pérdida térmica que se produce en los módulos de semiconductores de
la clase potenciada.
El sustrato cerámico 2 eléctricamente aislante
respecto del cuerpo refrigerante 1, presenta sobre su primera
superficie áreas de contacto 3 configuradas como revestimientos
metálico pegado. Sobre dichas áreas de contacto 3 del sustrato 2 se
encuentran dispuestos los componentes de semiconductores 8. Las
áreas de contacto 3 están diseñadas de modo que se establece una
conexión conforme al circuito con las segundas superficies
principales, orientadas hacia el sustrato, de los componentes 8 a
emplazar sobre las mismas.
En una primera configuración de la solución
conforme al invento, los componentes de semiconductores 8 están
conectados con los contactos 3 por medio de una unión directa. Esta
conexión por unión directa se hace, conforme al actual estado de la
técnica, mediante soldadura blanda. Para ello, se utilizan métodos
de soldadura que permiten la soldadura de todos los componentes de
semiconductores 8 en una sola operación. La unión conforme al
circuito de las, en cada caso, primeras superficies principales de
los componentes de semiconductores, opuestas a la cerámica, se
hace, según al invento, mediante una placa flexible de circuitos
impresos 9. Esta placa flexible de circuitos impresos 9 es conectada
con las primeras superficies principales de los componentes de
semiconductores no mediante unión directa sino mediante unión al
ras. Un contacto eléctrico duradero y fiable se consigue sólo
después del contacto a presión de toda la configuración.
En esta configuración, para el contacto con los
componentes de semiconductores 8 las áreas de contacto de la placa
flexible de circuitos impresos 9 deberían presentar,
preferentemente, botones nodulares 21. Estos botones nodulares
aseguran, por una parte, un contacto seguro, por otra parte puede
establecerse con ello un contacto a presión eficiente de todo el
módulo de semiconductores de potencia.
En otra configuración posible de la solución
conforme al invento, las primeras superficies principales de los
componentes de semiconductores 8 se conectan por unión directa con
la placa flexible de circuitos impresos 9. Esta conexión se
establece, preferentemente, mediante un adhesivo electroconductor.
Una unión mediante soldadura es igualmente concebible. La unión de
placa flexible de circuitos impresos 9 y componentes de
semiconductores 8 es aplicado durante el proceso de fabricación
sobre el sustrato 2, de manera que las segundas superficies
principales de los componentes de semiconductores se colocan sobre
las áreas de contacto 3 del sustrato 2 de tal forma que se establece
un contacto conforme al circuito. Igualmente, el contacto eléctrico
duradero y fiable con las áreas de contacto 3 del sustrato 2 se
consigue en toda la configuración sólo después del contacto a
presión.
El contacto de conexiones de potencia y control
necesario en los módulos de semiconductores de potencia puede
realizarse igualmente por medio de la placa flexible de circuitos
impresos 9. Con este propósito, por ejemplo, las conexiones
provistas del exterior son unidas directamente por medio de una
placa de circuitos impresos 9 como mínimo a una placa de circuitos
impresos rígida o también flexible 5 dotada de contactos 6, en unión
al ras con las conexiones respectivas del módulo de semiconductores
de potencia a través de los contactos a presión existentes en el
módulo de semiconductores de potencia. Las placas de circuitos
impresos externas 5 que no necesariamente tienen el mismo espesor
del sustrato 2, están colocadas eléctricamente aisladas, al menos en
parte, con su segunda superficie principal sobre el cuerpo
refrigerante 1. Con la finalidad de contactar las conexiones de
potencia y control externas de la placa de circuitos impresos 5, la
placa flexible de circuitos impresos 9 cubre la placa de circuitos
impresos 5 de forma que se establece como mínimo en parte un
contacto eléctrico entre las áreas de contacto correspondientes de
la placa flexible de circuitos impresos 9 o bien las áreas de
contacto 6 de la placa de circuitos impresos externa 5.
Todos los contactos mediante unión al ras se
establecen de modo duradero y fiable sólo después de ejercer una
presión mediante un acumulador de presión elástico 10 y una placa de
presión rígida 11 que introduce la presión. Para la introducción de
presión sirve, por ejemplo, una unión por tornillo. Para estas
uniones por tornillo deben disponerse pasos 7, 13, 14, 15 en la
placa de presión 11 y, en caso necesario, también en el acumulador
de presión 10, el sustrato 2 y/o las placas de circuitos impresos
externas 5. De esta modo, en el montaje sobre un cuerpo refrigerante
1 se establecen simultáneamente el contacto termoconductor,
eléctricamente aislado del módulo de semiconductores de potencia a
dicho cuerpo refrigerante 1 y también todos los contactos
conductores eléctricos por unión al ras.
Además, pueden disponerse pasos 12 para permitir
otras conexiones de potencia y/o control con la placa flexible de
circuitos impresos 9, los componentes de semiconductores 8 y/o las
áreas de contacto 3 del sustrato 2.
Los espacios 4 entre el sustrato 2 y la placa
flexible de circuitos impresos 9 pueden rellenarse, conforme al
estado actual de la técnica, con un dieléctrico como, por ejemplo,
caucho silicónico, para la protección contra descarga eléctrica.
Una configuración, según el invento, del
aislamiento de los diferentes componentes entre sí, utiliza un
elemento aislante pastoso 20 que, después de la conexión de los
componentes de semiconductores 8 con las áreas de contacto 3 del
sustrato 2, se aplica en forma laminar sobre dicha unión. La placa
flexible de circuitos impresos 9 emplazada por encima de este
elemento aislante pastoso es empujada en dirección al sustrato 2 por
medio del contacto a presión compuesto de la placa de presión 11 y
del acumulador de presión 10. En este caso, para un contacto
eléctrico de la placa flexible de circuitos impresos 9 con las áreas
de contacto de los componentes de semiconductores 28 o bien las
áreas de contacto 3 del sustrato 2, los botones nodulares 21
desalojan el material aislante que se encuentra en dicha zona. De
esta forma se garantiza una estabilidad a largo plazo del contacto
eléctrico. Además, debido al contacto a presión, todo el espacio
restante entre la placa flexible de circuitos impresos 9 y el
sustrato 2 dotado de componentes de semiconductores 8 es rellenado
completamente o, en caso requerido, también en parte por el material
aislante. El material aislante remanente es desplazado a través de
entalladuras apropiadas o en los bordes del módulo de
semiconductores de potencia.
Claims (9)
1. Módulo de semiconductores de potencia,
compuesto de una carcasa, un sustrato cerámico 2, áreas de contacto
3 configuradas y electroconductoras dispuestas sobre dicho sustrato
cerámico conforme al circuito, componentes 8 dispuestos sobre dicho
sustrato cerámico, contactados por medio de una placa flexible 9
dispuesta como mínimo en parte por encima de su primera superficie
principal dotada de circuitos impresos y áreas de contacto,
conectando esta placa flexible 9 de circuitos impresos, los
componentes 8 entre sí, conforme al circuito y/o con las áreas de
contacto 3 del sustrato 2, estableciendo así la placa flexible de
circuitos impresos 9 la conexión eléctrica del módulo conforme al
circuito y/o que establece la conexión conforme al circuito a las
áreas de contacto 6 de cómo mínimo una placa de circuitos impresos
externa 5, así como de un contacto a presión compuesto de un
acumulador flexible de presión 10 y una placa de presión 11
generadora de la presión y conexiones de potencia y de control,
caracterizado porque para aislar entre sí los componentes 8,
se incorpora un material aislante flexible 20 y se establece el
contacto de la placa flexible de circuitos impresos 9 con los
componentes 8 por medio de botones nodulares 21, de tal forma que se
establece una conexión electroconductora segura al aplicar presión
por medio del contacto a presión.
2. Módulo de semiconductores de potencia según
la reivindicación 1, caracterizado porque como mínimo un
componente 8 está conectado en unión directa con las áreas de
contacto 3 del sustrato 2, así como con como mínimo un área de
contacto de la placa flexible de circuitos impresos 9 por medio del
contacto a presión en unión al ras y de forma electroconductora.
3. Módulo de semiconductores de potencia según
la reivindicación 1, caracterizado porque como mínimo un
componente 8 está conectado con como mínimo un área de contacto de
la placa flexible de circuitos impresos 9 en unión directa y en
forma electroconductora y, asimismo, conectado en unión al ras por
medio del contacto a presión con como mínimo un área de contacto 3
del sustrato 2.
4. Módulo de semiconductores de potencia, según
la reivindicación 1, caracterizado porque los componentes 8
son diodos de potencia, transistores de potencia, sensores,
resistores y/o circuitos integrados.
5. Módulo de semiconductores de potencia, según
la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el contacto por
unión directa es formado por soldadura blanda.
6. Módulo de semiconductores de potencia, según
la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el contacto
por unión directa es formado mediante un adhesivo
electroconductor.
7. Módulo de semiconductores de potencia, según
la reivindicación 1, caracterizado porque la placa flexible
de circuitos impresos 9 establece como mínimo en parte el contacto
de las conexiones de potencia y/o control del módulo de
semiconductores de potencia con las áreas de contacto 6 de cómo
mínimo una placa de circuitos impresos externa 5.
8. Módulo de semiconductores de potencia, según
la reivindicación 7, caracterizado porque el contacto 6 de
las conexiones de potencia y/o control se establecen como mínimo en
parte en unión directa mediante soldadura blanda o pegado.
9. Módulo de semiconductores de potencia, según
la reivindicación 7, caracterizado porque el contacto 6 de
las conexiones de potencia y/o control se establecen como mínimo en
parte en unión al ras mediante el contacto a presión.
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