ES2906108T3 - Aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado y convertidor de potencia - Google Patents
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Abstract
Un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado (200), que comprende: una pluralidad de dispositivos semiconductores de potencia (231-238); y un sustrato eléctricamente aislante (250) formado integralmente, que comprende: una superficie plana (2521); al menos una pared de separación (2511, 2513, 2515, 2517) que sobresale de la superficie plana y configurada para separar la superficie plana en una pluralidad de áreas planas (2521), donde cada una de las áreas planas (2521) está configurada para recibir uno respectivo de los dispositivos semiconductores de potencia e incluye un orificio (2541); y un canal de flujo (2530) dentro del sustrato eléctricamente aislante (250) para permitir que fluya a través un refrigerante para eliminar el calor de la pluralidad de dispositivos semiconductores de potencia (231-238); caracterizado por que cada dispositivo semiconductor de potencia (231-238) se fija sobre una placa de metal (241); cada placa de metal (241) se instala en una respectiva de las áreas planas (2521) a través de una fijación y un anillo de sellado de modo que el orificio (2541) se cubra por la placa de metal (241) para realizar contacto directo entre el refrigerante en el canal de flujo (2530) y la placa de metal (241); y el canal de flujo (2530) comprende una entrada (2531) y una salida (2532) que permiten que el refrigerante fluya hacia dentro y hacia fuera del sustrato eléctricamente aislante (250) respectivamente.
Description
DESCRIPCIÓN
Aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado y convertidor de potencia
Antecedentes
La presente descripción se refiere en general a un aparato integrado de empaquetado de semiconductores de potencia y a un convertidor de potencia que contiene el aparato integrado de empaquetado de semiconductores de potencia.
Las tecnologías de electrónica de potencia no podrían prescindir de los convertidores de potencia. Convertidor de potencia es un término genérico de circuitos electrónicos de potencia y dispositivos que se utilizan para la conversión de potencia. Hay cuatro modelos básicos de conversión de potencia: inversión DC/AC, conversión de frecuencia AC/AC, rectificación AA/DC y conversión DC/DC. El convertidor de potencia puede tener varias formas. En general, incluye elementos básicos de dispositivos semiconductores de potencia, circuitos con varias topologías y diferentes estrategias de control, que se denominan "tres elementos de un convertidor de potencia". En donde los dispositivos semiconductores de potencia son elementos básicos, los cuales son críticos para la fiabilidad, coste y rendimiento de un convertidor de potencia.
Los dispositivos semiconductores de potencia son dispositivos electrónicos que se utilizan como interruptores o rectificadores de un convertidor de potencia. Debido a la naturaleza de los dispositivos semiconductores de potencia, la producción de alta potencia da como resultado inevitablemente la disipación de potencia del dispositivo, lo que puede dañar el dispositivo y/o afectar a su rendimiento. Por lo tanto, las soluciones de tecnología de refrigeración y empaquetado se emplean para la eliminación o disipación del calor generado por los dispositivos semiconductores de potencia. El empaquetado es fundamental para la densidad de potencia y el coste de ensamblaje o fabricación de un equipo electrónico que incluye múltiples dispositivos semiconductores de potencia. El equipo electrónico incluye controladores y convertidores industriales de baja tensión, media tensión, inversores de potencia, etc.
Una estructura de empaquetado convencional para dispositivos semiconductores de potencia generalmente comprende una placa de montaje y múltiples disipadores de calor. Cada dispositivo semiconductor de potencia se fija en la superficie superior de un disipador de calor a través de una placa de metal en la parte inferior del dispositivo semiconductor de potencia. Se aplica una grasa térmica en una superficie de contacto de la placa de metal y el disipador de calor para realizar un estrecho contacto, evitar huecos de aire y mejorar la transferencia de calor. Cada disipador de calor tiene un canal de flujo en su interior para que fluya a través un refrigerante que elimine el calor generado por los dispositivos semiconductores de potencia. Los múltiples disipadores de calor se instalan en la placa de montaje común para formar una unidad completa. En la Fig. 1 se muestra una configuración de una estructura de empaquetado convencional. Hay cuatro disipadores de calor 121, 122, 123, 124 instalados en una placa de montaje 110. Tomando el disipador de calor 121 como ejemplo, el disipador de calor 121 comprende una superficie plana que está separada en dos áreas planas 1213, 1214 por una pared de separación 1212 que sobresale de la superficie plana. Un dispositivo semiconductor de potencia 131 tiene un fondo fijado en una placa de metal 141. La placa de metal 141 está instalada en el disipador de calor 121, de modo que el dispositivo semiconductor de potencia 131 esté fijado en el área plana 1213 del disipador de calor 121. Una grasa térmica se coloca entre la placa de metal 141 y el área plana 1213. El otro dispositivo semiconductor de potencia 132 se instala en el área plana 1214 del disipador de calor 121 con el mismo método. El disipador de calor 121 comprende un canal de flujo (no mostrado en la Fig. 1) en el interior del cual tiene una entrada 1215 y una salida 1216 para permitir que un refrigerante entre y salga respectivamente. El refrigerante, tal como agua, aire u otro fluido, es forzado a fluir a través del canal de flujo, de modo que el calor transferido desde los dispositivos semiconductores de potencia 131, 132 a los disipadores de calor 121 se puede eliminar por el refrigerante. Cada uno de los otros disipadores de calor 122, 123, 124 tiene una estructura similar al disipador de calor 121. Como se mencionó anteriormente, la estructura de empaquetado convencional normalmente comprende muchos componentes que incluyen la placa de montaje, los múltiples disipadores de calor, las múltiples placas de metal y la grasa térmica. Por tanto, la estructura de empaquetado convencional normalmente tiene una estructura compleja y da como resultado un alto coste de fabricación y ensamblaje.
Por lo tanto, existe la necesidad de un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia mejorado para resolver al menos uno de los problemas mencionados anteriormente.
El documento JP S55 -95352 describe un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia según el preámbulo de la reivindicación 1.
El documento US 2010/175857 describe un dispositivo de refrigeración con un conjunto de milicanales en su superficie superior que define una región disipadora de calor. La región disipadora de calor proporciona contacto directo del refrigerante con una placa base en la que se monta un módulo electrónico.
Breve descripción
Un aspecto de la presente descripción proporciona un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado según la reivindicación 1.
Otro aspecto de la presente descripción proporciona un convertidor de potencia según la reivindicación 7.
La presente descripción proporciona un aparato de empaquetado integrado con un canal de flujo de refrigeración, que puede proporcionar aislamiento eléctrico y soporte mecánico para múltiples dispositivos semiconductores de potencia. Elimina el uso de grasa térmica. Además, dado que se utiliza un material eléctricamente aislante como sustrato para los dispositivos semiconductores de potencia, se mejora la distancia de fuga para el aislamiento y se puede realizar un empaquetado más hermético.
Breve descripción de los dibujos
Los aspectos, características y ventajas anteriores y otros de la presente descripción llegarán a ser más evidentes a la luz de la descripción detallada posterior cuando se tome en conjunto con los dibujos adjuntos en los que:
La Fig. 1 es un diagrama esquemático de un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia convencional;
La Fig. 2 es un diagrama esquemático de un sustrato eléctricamente aislante de acuerdo con una realización de la presente descripción; y
La Fig. 3 es un diagrama esquemático de un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado de acuerdo con una realización de la presente descripción.
Descripción detallada
La presente descripción se refiere a un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado, que comprende una pluralidad de dispositivos semiconductores de potencia y un sustrato eléctricamente aislante formado integralmente. El sustrato eléctricamente aislante comprende una superficie plana, al menos una pared de separación que sobresale de la superficie plana y un canal de flujo dentro del sustrato eléctricamente aislante. La al menos una pared de separación está configurada para separar la superficie plana en una pluralidad de áreas planas. Cada una de las áreas planas está configurada para recibir uno de los dispositivos semiconductores de potencia. El canal de flujo está configurado para permitir que fluya a través un refrigerante para eliminar el calor de la pluralidad de dispositivos semiconductores de potencia.
La pluralidad de dispositivos semiconductores de potencia pueden ser todos iguales, o al menos dos de los dispositivos semiconductores de potencia pueden ser diferentes unos de otros. El número, tipo, tamaño y disposición de posición de los dispositivos semiconductores de potencia sobre el sustrato eléctricamente aislante dependen de los requisitos de funcionamiento y las necesidades específicas de un equipo electrónico que adopte el aparato de empaquetado integrado de la presente descripción.
La forma del sustrato eléctricamente aislante tiene forma de placa plana que tiene una superficie plana superior y una superficie plana inferior opuesta a la superficie plana superior. La Fig. 2 muestra una realización de un sustrato eléctricamente aislante 250 con forma de placa plana. Como se muestra en la Fig. 2, el sustrato eléctricamente aislante 250 tiene una superficie plana superior que está separada en ocho áreas planas por cuatro paredes de separación 2511, 2513, 2515, 2517 que sobresalen de la superficie plana superior. El área plana 2521 está separada por las paredes de separación 2511, 2517. Las paredes de separación 2511, 2513, 2515, 2517 están formadas integralmente con el sustrato eléctricamente aislante 250. Las paredes de separación 2511, 2513, 2515, 2517 no solo pueden mejorar la distancia de fuga para el aislamiento entre dos dispositivos semiconductores de potencia adyacentes, sino que también pueden mejorar la resistencia mecánica del sustrato eléctricamente aislante 250. En algunas realizaciones, las paredes de separación 2511, 2513, 2515, 2517 pueden ser muy gruesas, de modo que la superficie plana superior del sustrato eléctricamente aislante 250 sea parecida a un bolsillo.
Un canal de flujo 2530 está dentro del sustrato eléctricamente aislante 250. Como se muestra en la Fig. 2, el canal de flujo 2530 comprende una entrada 2531 y una salida 2532 para permitir que el refrigerante fluya hacia dentro y hacia fuera respectivamente. En algunas realizaciones, el canal de flujo 2530 puede tener más de una entrada o salida. El canal de flujo 2530 entre la entrada 2531 y la salida 2532 puede estar diseñado para asegurar que el refrigerante pueda fluir a través de cada área plana del sustrato eléctricamente aislante 250 donde se fija el dispositivo semiconductor de potencia. En algunas realizaciones, el canal de flujo 2530 puede ser una o más cavidades dentro del sustrato eléctricamente aislante 250. Además, el canal de flujo 2530 puede tener varios patrones, tales como en forma de S, en forma de U, en forma de M. Preferiblemente, el canal de flujo 2530 comprende un patrón serpenteante. En algunas realizaciones, el patrón del canal de flujo 2530 está diseñado según el requisito de disipación de calor de cada dispositivo semiconductor de potencia colocado en cada una de las áreas planas. Por ejemplo, para un dispositivo semiconductor de potencia que puede generar más calor que otros, se puede emplear un área de intercambio de calor aumentada del canal de flujo 2530 debajo de este dispositivo semiconductor de potencia. Y el dispositivo semiconductor de potencia que puede generar más calor se puede disponer cerca de la entrada 2531 del canal de flujo 2530. El refrigerante que fluye a través del canal de flujo dentro del sustrato eléctricamente aislante es un fluido que puede eliminar el calor producido por los dispositivos semiconductores de potencia. Un refrigerante ideal tiene alta capacidad térmica, baja viscosidad, es de bajo coste, no tóxico, químicamente inerte y no causa ni fomenta la corrosión de los canales de enfriamiento. El refrigerante más común es el agua, preferiblemente agua desionizada. El agua desionizada muy pura, debido a su conductividad eléctrica relativamente baja, es muy adecuada para enfriar estos dispositivos eléctricos.
Como se muestra en la Fig. 2, cada una de las áreas planas 2521 del sustrato eléctricamente aislante 250 comprende un orificio 2541. Cuando se dispone un dispositivo semiconductor de potencia en el área plana 2521, el orificio 2541 se cubre y puede eliminar una capa eléctricamente aislante entre el refrigerante en el canal de flujo 2530 y el dispositivo semiconductor de potencia, para realizar contacto directo y aumentar la transferencia de calor. El tamaño y la forma del orificio 2541 pueden variar siempre que el orificio 2541 se pueda cubrir con el dispositivo semiconductor de potencia dispuesto en el área plana 2521 y no haya fugas de refrigerante desde el orificio 2541. En la Fig. 2, los orificios en las ocho áreas planas son todos de forma rectangular.
Normalmente, el sustrato eléctricamente aislante 250 está hecho de uno o más materiales eléctricamente aislantes. El material eléctricamente aislante puede ser un material plástico, un material compuesto de matriz cerámica, un material compuesto de matriz polimérica o cualquier material avanzado adecuado que entre en el mercado. En algunas realizaciones, el sustrato eléctricamente aislante 250 está hecho de un material termoplástico, tal como sulfuro de polifenileno (PPS), poliamida (PA), politetrafluoroetileno (PTFE) o una combinación de los mismos. En la estructura de empaquetado convencional descrita anteriormente, los disipadores de calor donde se fijan los dispositivos semiconductores de potencia normalmente están hechos de aluminio. La presente descripción emplea un material eléctricamente aislante, que puede mejorar en gran medida la distancia de fuga para el aislamiento y realizar una estructura de empaquetado más hermética. La otra ventaja de emplear un material eléctricamente aislante puede ser el peso ligero. Así, se puede lograr un equipo electrónico de peso ligero, tal como un convertidor de potencia, con el aparato de empaquetado integrado de la presente descripción.
El sustrato eléctricamente aislante 250 está formado integralmente. En algunas realizaciones, se usan uno o más materiales termoplásticos como materia prima, y el proceso de fabricación puede incluir diversas técnicas de procesamiento de polímeros, tales como moldeo por inyección, moldeo por compresión, calandrado y extrusión. Preferiblemente, se usa moldeo por inyección para producir el sustrato eléctricamente aislante 250. Además, la fabricación aditiva o la tecnología de impresión 3D también se pueden usar para fabricar el sustrato eléctricamente aislante 250. La fabricación aditiva, que construye objetos 3D añadiendo capa sobre capa de material, puede producir formas complejas y diseñadas con precisión. Por tanto, para la fabricación del sustrato eléctricamente aislante 250 con un canal de flujo en el interior, la fabricación aditiva es una buena elección a ser empleada, en particular para un sustrato eléctricamente aislante con un canal de flujo diseñado especialmente en el interior. Como el sustrato eléctricamente aislante 250 está formado integralmente, el aparato de empaquetado tiene menos componentes, lo que facilita aún más el montaje automático y la fabricación del aparato de empaquetado integrado.
La Fig. 3 muestra un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado 200 con el sustrato eléctricamente aislante 250 de la Fig. 2. Cada uno de los ocho dispositivos semiconductores de potencia 231~238 está instalado respectivamente en una de las ocho áreas planas del sustrato eléctricamente aislante 250 a través de una placa de metal. Tomando el dispositivo semiconductor de potencia 231 como ejemplo, el dispositivo semiconductor de potencia 231 se fija en una placa de metal 241. El dispositivo semiconductor de potencia 231 se instala en el área plana 2521 a través del acoplamiento de la placa de metal 241 al área plana 2521, de modo que el orificio 2541 en el área plana 2521 (Fig. 2) está cubierto por la placa de metal 241. Cuando un refrigerante está fluyendo a través del canal de flujo 2530, se puede realizar un contacto directo entre el refrigerante y la placa de metal 241 para mejorar el rendimiento de enfriamiento. Normalmente, el tamaño del orificio 2541 es lo más grande posible para obtener una área de intercambio de calor grande. Además, es crítico sellar la placa de metal 241 y el orificio 2541 para evitar fugas de refrigerante. Es para usar una fijación, tal como un tornillo, y un anillo de sellado, tal como un anillo de sellado de goma, para fijar la placa de metal 241 al área plana 2521 y cubrir el orificio 2541. Los otros dispositivos semiconductores de potencia 232~238 están instalados en sus áreas planas correspondientes con un método similar al dispositivo semiconductor de potencia 231.
Al menos uno de los dispositivos semiconductores de potencia 231~238 del aparato de empaquetado integrado 200 puede comprender un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET) o un diodo. En algunas realizaciones, al menos uno de los dispositivos semiconductores de potencia 231-238 comprende un dispositivo semiconductor de potencia de carburo de silicio (SiC) o un dispositivo semiconductor de potencia de nitruro de galio (GaN).
El aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado 200 de la presente descripción puede minimizar el tamaño de empaquetado de múltiples dispositivos semiconductores de potencia y mejorar la densidad de potencia. Con el aparato de empaquetado integrado 200 de la presente descripción, se puede lograr un equipo electrónico de bajo coste, peso ligero y alta densidad de potencia, tal como un convertidor de potencia.
La presente descripción también se refiere a un convertidor de potencia que incluye el aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado descrito anteriormente. Debería entenderse que además del aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado, el convertidor de potencia también puede comprender otros componentes y/o circuitos apropiados para lograr una función requerida del convertidor de potencia.
El alcance patentable de la descripción está definido por las reivindicaciones.
Claims (7)
1. Un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado (200), que comprende:
una pluralidad de dispositivos semiconductores de potencia (231-238); y
un sustrato eléctricamente aislante (250) formado integralmente, que comprende:
una superficie plana (2521);
al menos una pared de separación (2511, 2513, 2515, 2517) que sobresale de la superficie plana y configurada para separar la superficie plana en una pluralidad de áreas planas (2521), donde cada una de las áreas planas (2521) está configurada para recibir uno respectivo de los dispositivos semiconductores de potencia e incluye un orificio (2541); y
un canal de flujo (2530) dentro del sustrato eléctricamente aislante (250) para permitir que fluya a través un refrigerante para eliminar el calor de la pluralidad de dispositivos semiconductores de potencia (231-238);
caracterizado por que cada dispositivo semiconductor de potencia (231-238) se fija sobre una placa de metal (241);
cada placa de metal (241) se instala en una respectiva de las áreas planas (2521) a través de una fijación y un anillo de sellado de modo que el orificio (2541) se cubra por la placa de metal (241) para realizar contacto directo entre el refrigerante en el canal de flujo (2530) y la placa de metal (241); y
el canal de flujo (2530) comprende una entrada (2531) y una salida (2532) que permiten que el refrigerante fluya hacia dentro y hacia fuera del sustrato eléctricamente aislante (250) respectivamente.
2. El aparato de la reivindicación 1, en donde el sustrato eléctricamente aislante (250) comprende un material plástico, un material compuesto de matriz cerámica o un material compuesto de matriz polimérica.
3. El aparato de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el refrigerante comprende agua desionizada.
4. El aparato de cualquier reivindicación anterior, en donde el canal de flujo (2530) es un canal serpenteante.
5. El aparato de cualquier reivindicación anterior, en donde uno de los dispositivos semiconductores de potencia (231-238) comprende un transistor bipolar de puerta aislada, un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico o un diodo.
6. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde uno de los dispositivos semiconductores de potencia comprende un dispositivo semiconductor de potencia de carburo de silicio o un dispositivo semiconductor de potencia de nitruro de galio.
7. Convertidor de potencia, que comprende un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado, el aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado como se define en cualquier reivindicación anterior.8. Un método de fabricación de un aparato de empaquetado de semiconductores de potencia integrado (200) según la reivindicación 1, en donde el sustrato eléctricamente aislante (250) se forma mediante moldeo por inyección o proceso de fabricación aditiva.
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