ITMI941840A1 - Modulo di dispositivi a semiconduttori di alta potenza con bassa resistenza termica e metodo di fabbricazione semplificato - Google Patents

Modulo di dispositivi a semiconduttori di alta potenza con bassa resistenza termica e metodo di fabbricazione semplificato Download PDF

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ITMI941840A1
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Abstract

Un modulo 8 semiconduttori di alta potenza ha un substrato IMS che sostiene una matrice di semiconduttori che deve essere interconnessa entro la carcassa. Una morsettiera presenta i terminali per il collegamento al substrato con un collegamento a scatto con i terminali posizionati sopra i rispettivi attenuatori di lega di saldatura sulla morsettiera IMS.I piedini asportabili integrati sulla morsettiera posizionano la morsettiera rispetto al substrato IMS durante la saldatura. Un'apertura centrale nella morsettiera permette l'inserzione di silicone soffice nello spazio fra il substrato IMS ed il fondo della morsettiera. la morsettiera ha sporgenze che si estendono verso l'alto sulla sua superficie superiore adiacenti a ciascun terminale di alimentazione, ed il fondo di un gruppo cercasse superiore ha nervature che racchiudono le sporgenze sulla sommità della morsettiera. Una colla siliconica viene versata sulla sommità della morsettiera e negli spazi fra le e attorno alle sporgenze. Le nervature penetrano in questa colla per fornire una buona tenuta di isolamento lungo la periferia dei terminali di alimentazione che sporgono attraverso la morsettiera.(fig. 1).

Description

DESCRIZIONE
della Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: MODULO DI DISPOSITIVI A SEMICONDUTTORI DI ALTA POTENZA CON BASSA RESISTENZA TERMICA E METODO DI FABBRICAZIONE SEMPLIFICATO
FONDAMENTI DELL'INVENZIONE
Quest'invenzione si riferisce ad una nuova carcassa modulare per dispositivi a semiconduttore, e più in particolare si riferisce ad una nuova struttura modulare che utilizza un IMS completo (substrato di metallo isolato)entro una nuova struttura di carcassa che assicura il completo isolamento elettrico di tutte le parti in un modo nuovo ed affidabile.
I moduli di dispositivi a semiconduttori sono ben noti, e sono generalmente usati per le carcasse di una pluralità di circuiti integrati (chip) interconnessi. I chip possono essere eguali o di diversi tipi e sono montati su un dispersore termico entro una carcassa comune avente elettrodi di terminali che si estendono da essa.Per esempio, i moduli a semiconduttori possono fornire una carcassa per diodi, MOSFET, chip IGBT o transistori bipolari interconnessi elettricamente che sono collegati in vari tipi di circuiti preselezionati, come i semiponti, i ponti ad onda intera, i duplicatori di tensione e simili.Terminali relativamente grandi si estendono dalla carcassa isolante per il collegamento elettrico effettuato dall'utilizzatore.
La presente invenzione fornisce una struttura modulare avente una gestione termica perfezionata e una facilità di fabbricazione e un'affidabilità perfezionata.
BREVE SOMMARIO DELL'INVENZIONE
Il modulo della presente invenzione viene costruito su un substrato IMS che ha chip o matrici di semiconduttori fissati termicamente ad esso. Da ora in avanti i termini "chip", "matrice", e "wafer" sono usati in modo intercambiabile per indicare un corpo semiconduttore piatto, nudo e sottile avente elettrodi sulla sua superficie opposta. Il dispositivo semiconduttore può essere di un qualsiasi tipo, come un diodo, un dispositivo a porta MOS di potenza,come un MOSFET, un chip IGBT,un tiristore con controllo MOS o simili.
Il substrato IMS ha un corpo di alluminio relativamente spesso coperto da uno strato isolante molto sottile che,a sua volta, sostiene una copertura di rame che è isolata elettricamente dall'alluminio. Le matrici sono montate su uno o più dispersori termici nelle regioni centrali del dispersore termico per migliorare il controllo termico del calore generato dalla matrice durante il funzionamento del dispositivo.
Il substrato IMS ha anche le coperture per ricevere convenientemente i fili conduttori di collegamento e i terminali del dispositivo principale. Pertanto le matrici sono interconnesse internamente fra loro sul substrato IMS tramite collegamento incollato di fili conduttori paralleli.Questi fili conduttori sono infine collegati ad un terminale verticale che si estende all'esterno della carcassa.
In accordo con una caratteristica inportante dell'invenzione, i terminali del dispositivo sono sostenuti in una morsettiera isolante stampata e sono collegati a scatto tramite fessure della morsettiera per semplificare il montaggio del dispositivo.
Ciascun terminale ha una parte di estremità piegata in modo rientrante per agire come un prolungamento di terminale piatto che può essere saldato convenientemente su attenuatori di lega di saldatura disposti in modo opportuno sul substrato IMS.
I terminali sono preposizionati rispetto al substrato IMS e terminano in un piano comune di modo che essi possano essere saldati direttamente durante il montaggio.
Un nuovo dispositivo di posizionamento è stato creato con la morsettiera realizzando piedini asportabili nelle estremità opposte della morsettiera che sono disposti nelle aperture di montaggio del substrato IMS durante il montaggio. I piedini sono rotti dopo che i terminali principali sono stati saldati al substrato IMS.
In accordo con un'altra caratteristica dell'invenzione, uno spazio viene lasciato fra il fondo della morsettiera e la parte superiore del substrato IMS che agisce come uno spazio di dilatazione per uno riempimento di silicone soffice che può essere introdotto nello spazio suddetto attraverso un'apertura nella morsettiera dopo che è stata completata l'operazione di saldatura in basso e prima che sia montato un coperchio superiore sul modulo.Dopo lo riempimento lo spazio viene chiuso in modo stagno chiudendo una sola apertura di riempimento centrale della morsettiera.
Come ulteriore caratteristica dell'invenzione la superficie superiore della morsettiera è prevista con sporgenze di estensione attraverso le quali si estendono i terminali.La parte interna del coperchio superiore è prevista con nervature integrate con una cavità entro le e perifericamente alle sporgenze sulla morsettiera quando le due parti vengono montate.Prima del montaggio del coperchio superiore, l'intera superficie superiore della morsettiera viene riempita con un adesivo o colla adatto/a di modo che,quando il coperchio superiore viene montato in posizione, tutti gli spazi che circondano i terminali sono chiusi in modo stagno dalla colla per evitare l'ingresso di aria o di contaminanti nel volume interno della carcassa e entro e fra i vari conduttori dei terminali che potrebbero provocare cortocircuiti dei terminali principali.
Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno evidenti dalla descrizione eseguente dell'invenzione che si riferisce ai disegni allegati.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
- La Figura 1 è una vista prospettica di una carcassa costruita in accordo con la presente invenzione;
- La Figura 2 è una vista in pianta della carcassa della Figura i;
- La Figura 3 è una vista di prospetto della vista dall'alto della Figura 2;
- La Figura 4 è una vista laterale della Figura 3;
- La Figura 5 è uno schema circuitale del circuito interno formato entro la carcassa delle Figure 1-4;
- La Figura 6 è una vista in sezione trasversale della Figura 2 eseguita trasversalmente alle linee di sezione 6-6 della Figura 2; - La Figura 7 è una vista interna osservando nella parte interna del coperchio superiore del gruppo della Figura 1 e da Figura 4 a Figura 6;
- La Figura 8 è una vista in sezione trasversale della Figura 7 eseguita trasversalmente alla linea di sezione 8-8 della Figura 7;
- La Figura 9 è una vista in sezione trasversale della Figura 7 eseguita trasversalmente alla linea di sezione 8-8 della Figura 7;
- La Figura 10 una vista in pianta della struttura della morsettiera delle figure precedenti;
- La Figura 11 è una vista in sezione trasversale della Figura 10 eseguita trasversalmente alla linea di sezione 11-11 della Figura 10;
- La Figura 12 è una vista dal basso della Figura 11 come vista dalla linea di sezione 12-12;
- La Figura 13 è una vista di prospetto di un contatto di porta per uno dei terminali di controllo della carcassa delle precedenti figure;
- La Figura 14 è una vista laterale del terminale della Figura 13 dopo che il suo fondo viene piegato nella posizione di saldatura; - La Figura 15 è una vista laterale di uno dei terminali principali del gruppo della Figura 1;
- La Figura 16 illustra una vista laterale del terminale della Figura 15 che illustra, in linee tratteggiate, il terminale piegato nella posizione per la saldatura;
- La Figura 17 illustra un secondo terminale dei terminali principali del gruppo della Figura 1 in vista laterale;
- La Figura 18 è una vista laterale del terminale della Figura 17;
- La Figura 19 è una vista laterale di un terzo terminale dei terminali principali del gruppo dell'invenzione;
- La Figura 20 è una vista laterale del terminale della Figura 19; - La Figura 21 è una vista prospettica esplosa della morsettiera della Figura 10 con vari terminali delle Figure 13-20 posizionati per l'inserzione nella morsettiera;
- la Figura 22 illustra la morsettiera della Figura 21 con i terminali collegati a scatto in posizione e trattenuti dalla scheda;
- La Figura 23 è una vista in pianta del substrato IMS usato in accordo con l'invenzione prima del montaggio su di esso dei dispersori termici e dei conduttori;
- La Figura 24 è una vista laterale della Figura 23;
- La Figura 25 è una vista in pianta di un dispersore termico avente IGBT selezionati e la matrice a ricupero rapido saldati su di esso;
- La Figura 26 è una vista laterale del dispersore termico della Figura 25;
- La Figura 27 è una vista in pianta del substrato IMS della Figura 23 dopo che i dispersori termici sono stati saldati in posizione sul substrato IMS e i conduttori sono stati interconnessi fra i vari terminali e matrici;
- La Figura 28 è una vista dal basso della morsettiera della Figura 22 e illustra la posizione degli attenuatori o fondi di lega per saldatura dei terminali principali, di modo che essi sono disposti nelle posizioni dei terminali nella Figura 27, ed inoltre illustra, in linee tratteggiate, le sporgenze di posizionamento asportabili che cooperano nel posizionamento della morsettiera e dei terminali rispetto al substrato IMS durante l'operazione di saldatura;
- La Figura 29 illustra uno degli elementi asportabili della Figura 28 posizionati rispetto all'apertura di montaggio del substrato IMS;
- La Figura 30 è una vista in sezione trasversale che illustra schematicamente il coperchio superiore, la morsettiera e il substrato IMS posizionati reciprocamente prima del completo montaggio di questi conponenti;
- La Figura 31 è una vista in sezione trasversale della Figura 30 eseguita trasversalmente alla linea di sezione 31-31.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DEI DISEGNI
Con riferimento alle Figure 1-4,viene illustrata qui una nuova struttura modulare conprendente un coperchio stampato isolante 50 che è fissato ad un substrato IMS 51, ciascuno dei quali verrà descritto in maggiore dettaglio nel seguito.
Il coperchio 50 ha tre sporgenze elevate 52, 53 e 54 che si estendono dalla sua superficie superiore che contengono i segmenti piegati verso il basso dei tre terminali principali dei dispositivi 55, 56 e 57. Sono anche illustrati nella Figura 1 i due terminali di controllo 60 e 61 e i due terminali di alimentazione ausiliaria 62 e 63.
Come illustrato nelle Figure 2, 3 e 4, quando il sottogruppo viene montato e prima che esso sia disposto in posizione d'uso, i terminali 55, 56 e 57 si estendono verso l'alto e scoprono le aperture 70, 71 e 72 di ricezione di dadi esagonali (Figura 2) che sono coperte quando le estremità dei terminali 55, 56 e 57 vengono compresse verso il basso.Queste aperture possono accogliere un dado esagonale usato convenzionalmente per il collegamento dei terminali elettrici alla carcassa.
Viene anche previsto il substrato IMS 51, come illustrato nella Figura 12, con le aperture di montaggio 73 e 74 che permettono il collegamento a bulloni del substrato IMS e del gruppo con un dispersore termico. Il circuito formato dal dispositivo che verrà descritto è un semiponte formato dai transistori IGBT 75 e 76 (transistori bipolari a porte isolate) illustrati schematicamente nella Figura 5. I transistori IGBT 75 e 76 sono collegati in relazione di circuito parallelo con rispettivi diodi a ricupero rapido 77 e 78. I terminali elettrici del circuito a semiponte illustrati nella Figura 5 corrispondono a quelli precedentemente indicati nella Figura 1.
Si deve notare che numerosi tipi di circuiti diversi da quello che è illustrato nella Figura 5 possono essere usati con la carcassa dell'invenzione,per esempio, ponti ad onda completa a singola fase e trifasi,duplicatori di tensione e simili.Vari tipi di matrici di semiconduttori, come diodi, tiristori, transistori bipilari e MOS possono essere disposti singolarmente o in parallelo.Come verrà descritto meglio nel seguito, i chip IGBT 75 e 76 comprendono quattro chip collegati in parallelo.
La carcassa o coperchio estema/o 50 è illustrata/o in maggiore dettaglio nelle Figure 7, 8 e 9.Pertanto la parte interna del coperchio presenta le aperture 80, 81 e 82a attraverso le quali i terminali 55, 56 e 57 si estendono nel dispositivo montato.
Le aperture 80, 81 e 82a sono illustrate come circondate da spigoli che si estendono verso il basso rispetto alla parte interna della carcassa.Altri spigoli sporgenti, illustrati nelle Figure 7, 8 e 9 di vario tipo come gli spigoli 82, 83, 84, 85, 86 cooperano con uno spigolo allungato interno principale 87 che si estende sulla periferia della parte conplessiva interna del coperchio 50. Quando il coperchio 50 è disposto sopra la morsettiera interna, che verrà descritta nel seguito, gli spazi di isolamento anulari racchiudono ciascuno dei terminali che possono essere riempiti con una gelatina di silicone o simile per isolare i terminali uno dall'altro in un modo sicuro e semplice.
Viene poi descritta la nuova struttura di morsettiera 90 dell'invenzione che è adatta per sostenere i terminali principali 55, 56 e 57 e i terminali di controllo da 60 a 63 in un nodo di collegamento a scatto.La morsettiera 90 è illustrata nelle Figure 6, 10, 11, 12, 21, 22 e 28.La morsettiera 90 è un corpo di plastica stampata avente una pluralità di sporgenze distanziate da 91 a 94 sulla sua superficie superiore. Queste sporgenze, come verrà descritto nel seguito, si incastrano entro le e sono circondate dalle nervature sporgenti nella parte interna del coperchio superiore 50. Il volume conpreso fra le e che circonda le sporgenze può essere riempito con un adesivo di colla siliconica, come illustrato nella Figura 6,prima che il coperchio superiore 50 sia montato sulla morsettiera 90.
Le nervature del coperchio superiore 50 penetrano nell'adesivo e, quando l'adesivo si indurisce, i terminali vengono chiusi in modo stagno evitando i percorsi di perdita di corrente fra i terminali
la morsettiera 90 è anche fornita con le fessure allungate 95, 96 e 97 attraverso le quali i terminali 55, 56 e 57 possono estendersi ed essere fissati, come verrà descritto nel seguito e come illustrato nelle Figure 21 e 22. Nel lato inferiore della morsettiera sono previste le protezioni di plastica in un solo pezzo allungate 100-101 che si estendono lungo la lunghezza del fondo della morsettiera sui lati opposti della fessura 97.Gli elementi di protezione allungati simili 102 e 103 si estendono sui lati opposti delle fessure 95 e 96.Lo spazio fra le protezioni 100-101 e 102-103 riceve le estensioni dei terminali 55, 56 e 57 per permettere un buon collegamento a scatto o un fissaggio sicuro del terminale sulla morsettiera come verrà descritto nel seguito e inoltre isola i terminali nella cavità di dilatazione.
Inoltre nella morsettiera 90 è prevista un'apertura passante 110. Come verrà descritto nel seguito,questa apertura 110 permette il riempimento dello spazio fra l'elemento IMS 51 e il fondo della morsettiera con un silicone soffice che ha un elevato coefficiente di dilatazione prima del montaggio del coperchio superiore.
Una spina od arresto di plastica a forma di sfera 11 (Figura 22) può essere compressa/o nell'apertura 110 dopo l'operazione di riempimento, e può essere incollata in posizione per chiudere in modo stagno la camera.
La morsettiera 90 ha quattro aperture distanziate parallele 120, 123 (Figura 10) che ricevono i terminali 60, 62, 63 e 61, rispettivamente,per il dispositivo.Questi terminali sono montati a forza nella morsettiera e sono sostenuti da essa come un sottogruppo assieme ai terminali 55, 56 e 57.
Mentre i vari terminali possono avere una qualsiasi configurazione desiderata, le Figure da 13 a 20 illustrano la configurazione usata nella forma di realizzazione preferita della presente invenzione.Pertanto tutti i terminali da 60 a 63 hanno la struttura del terminale 60 illustrata nelle Figure 13 e 14. I terminali da 60 a 63 sono semplicemente compressi nelle aperture da 120 a 123 e possono essere sostenuti in essi tramite un montaggio forzato a causa delle superfici bombate o inclinate che comprimono a forza sul lato opposto delle fessure per sostenere i terminali in posizione. Si noti che il fondo del terminale 60 è arrotolato verso l'alto nel suo fondo 130 della Figura 14 per realizzare un piatto che può essere saldato ad una zona opportuna sul substrato IMS 51, come verrà descritto nel seguito.
Il terminale 55 ha una configurazione illustrata nelle Figure 15 e 16, e si noterà che il terminale è fornito con le superfici inclinate 131 e 132 che sono dimensionate per un "montaggio preciso" nelle estremità opposte della fessura 95 che riceve il terminale 55 per sostenerlo ad attrito in posizione entro la morsettiera dopo che esso è stato inserito nel suo interno.
Come illustrato nella Figura 18 in linee tratteggiate, la sezione di estremità sporgente 133 del terminale può essere arrotolata verso l'alto, come illustrato con linee tratteggiate nella Figura 16,per formare la parte inferiore 134 di terminale piatto che può essere saldata ad un attenuatore adatto sul substrato IMS 51, come verrà descritto nel seguito. Si noti che la parte di corpo 135 del terminale sarà montata fra le protezioni 102 è 103 della Figura 12 quando il terminale 55 viene inserito nella morsettiera.
Le Figura 17 e 18 illustrano il terminale 56 che ha un corpo allungato 140 e una sezione di terminale rivolta verso il basso 141 che può essere arrotolata nella forma 142, illustrata nella Figura 18, che ha un fondo piatto che può essere saldato in basso sul substrato IMS.
Le Figure 19 e 20 illustrano il terminale 57 che ha una parte di corpo 142a e l'estensione di terminale 143 che può essere arrotolata nella forma 144 in linee tratteggiate della Figura 20.
Quando il terminale 57 viene inserito nella morsettiera,esso verrà conpresso nella fessura 97 e sostenuto in essa per attrito, l'estremità del terminale 144 sporgendo verso l'esterno e verso il basso.
Tutti i terminali sono inseriti a scorrimento nel terminale 90, cane illustrato nelle Figure 21 e 22, e sono fissati entro il corpo del terminale 90 per attrito o azione a scatto. I fondi 130 per ciascuno dei terminali di controllo e i fondi 134, 142, 144 per i terminali 55, 56 e 57 sono in un piano comune dopo il montaggio dei terminali nella morsettiera 90.Queste superfici di fondo verranno saldate agli attenutatori di lega di saldatura opportuni che sono disposti opportunamente sul substrato IMS 51 come verrà descritto nel seguito.
Il substrato 51, senza la matrice collegata, viene illustrato nelle Figure 23 e 24. Il substrato 51 è fondamentalmente una piastra spessa di alluminio avente uno strato di isolamento sottile sulla sua sommità.Una copertura di rame è realizzata sulla sonnità dello strato isolante. I substrati IMS sono ben noti. Dato che lo strato isolante, è estremamente sottile, esso permette un buon trasferimento del calore dalle tracce di rame al substrato di alluminio principale mentre fornisce un buon isolamento elettrico fra i due elementi.
La Figura 23 illustra le aree di rame da 150 a 156 sulla sommità del substrato IMS che sono isolate dal substrato di alluminio e isolate reciprocamente.Quando queste aree di rame sono previste con attacco chimico, l'attacco chimico è previsto per essere un alluminio placcato, cosa che permette la formazione di un collegamento a ultrasuoni con un filo conduttore.Le aree di rame che non sono placcate sono adatte per la saldatura con altri componenti.
Le aree allargate 154 e 155 contengono ciascuna le estensioni 160 e 161 che sono adatte per accettare i dispersori termici, come il dispersore termico 170 delle Figure 25 e 26,che possono essere una piastra di alluminio che ha saldate su di essa le varie matrici che sono usate per creare il circuito a semiconduttori per il modulo.Nel caso del dispersore 170 delle Figure 25 e 26, alla piastra di alluminio sono saldate quattro matrici IGBT da 172 a 174 collegate in parallelo e diodi a ricupero rapido da 175 a 178, tutti collegati in parallelo.Questi conponenti corrispondono generalmente al chip IGBT 75 e al diodo a ricupero rapido 77 della Figura 5.
Due di tali sottogruppi su rispettivi dispersori termici vengono usati come viene illustrato nella Figura 27, nei quali il dispersore 170 è quello illustrato nelle Figure 25 e 26 mentre un identico gruppo 180, corrispondente al chip IGBT 76 e al diodo 78 della Figura 6 viene saldato all'area di rame 155 della Figura 27.
La superficie posteriore di ciascuna matrice viene saldata in basso al suo rispettivo dispersore termico 170 e 180,mentre i terminali sulle superfici superiori della matrice vengono collegate con ultrasuoni usando fili e collegamento incollato opportuni, come è ben noto. Solo un singolo filo conduttore collegato con colla è illustrato nella Figura 27, sebbene, in pratica, vengano usati per ciascun collegamento quattro collegamenti incollati paralleli.
Nella Figura 27 il terminale di controllo 150 viene collegato tramite una traccia del substrato IMS con i contatti di porta di ciascuna della matrici di IGBT disposti sul dispersore termico 170.
I contatti di emissione di ciascuna delle matrici del dispersore termico 170 vengono quindi dapprima collegati ad un elettrodo di un rispettivo diodo a ricupero rapido e quindi al prolungamento 190 della traccia 155. Il terminale di controllo 153 viene dapprima collegato agli attenuatori conduttivi 191 e 192 che sono isolati (in un modo non illustrato) dal dispersore termico 170 e gli attenuatori vengono quindi collegati con colla sugli elettrodi di controllo della matrice di IGBT sul dispersore termico 180. Gli elettrodi principali delle superfici superiori del chip IGBT sul dispersore termico 190 vengono collegati con colla, dapprima ad un rispettivo diodo a ricupero rapido e quindi all'attenuatore conduttivo 156 sul substrato IMS.Per collegare gli elettrodi di controllo 151 e 152 con i terminali di alimentazione 56 e 57, i fili conduttori isolati, illustrati schematicamente dalle linee tratteggiate 200 e 201, rispettivamente, collegano questi terminali con il prolungamento dell'attenuatore 161 e con l'attenuatore 156.
Con riferimento ancora alle Figure 22, 27 e 28,è possibile comprendere che il sottogruppo della Figura 22, nel quale i vari terminali sono fisicamente supportati entro la morsettiera, può semplicemente essere montato sulla soircnità della superficie IMS della Figura 27, in modo che i contatti 134, 142 e 144 siano disposti sopra le e in contatto con le parti di rame esposte dei terminali 160, 156 e 161, rispettivamente.
L'intero sottogruppo, comprendente i fondi dei terminali di controllo da 60 a 63 che saranno allineati con le aree da 150 a 153, possono quindi essere saldati verso il basso come un sottogruppo completo con un'operazione semplice.
Per cooperare al posizionamento del sottogruppo della Figura 22 rispetto al substrato IMS durante questa operazione di saldatura, una coppia di spine rimovibili può essere inclusa nello stampaggio della morsettiera 90. Pertanto come illustrato per esempio nella Figura 12, nella Figura 28 in linee tratteggiate,e nelle Figure 30 e 31, le spine 210 e 211 sono fissate in un solo pezzo con le tacche nelle estremità opposte della scheda 90 e sono facilmente asportabili da essa.Queste spine di posizionamento 210 e 211 hanno parti di estremità di diametro ridotto, come la parte di estremità 212, illustrata nella Figura 29 per la spina 210 che è adatta per il montaggio preciso nell'apertura di montaggio 73 nel substrato IMS 51. In un modo simile la spina opposta 211 verrà montata nell'apertura 74 della scheda IMS 51 in modo che l'intero sottogruppo della Figura 22, conprendente i fondi dei terminali, verrà posizionato con precisione rispetto alle rispettive regioni di attenuatore di rame sul substrato IMS 51, di modo che l'operazione di saldatura inferiore possa essere eseguita.
Una volta che la morsettiera parzialmente montata è stata saldata in basso in posizione, il fondo della scheda è distanziato al di sopra della superficie superiore del substrato IMS cerne è illustrato meglio nella Figura 6 per formare uno spazio di dilatazione sopra la matrice ed i collegamenti dei fili conduttori.
Naturalmente è desiderabile riempire l'area contenente la matrice ed i fili conduttori con un materiale di passivazione,per esempio un silicone soffice che sia libero di dilatarsi con la variazione della temperatura e di permettere il movimento termico della matrice e dei fili conduttori di collegamento, e inoltre per chiudere a tenuta precisa la carcassa evitando l'ingresso di umidità o di agenti contaminati e per mantenere l'integrità dell'isolamento fra i vari terminali.
In accordo con l'invenzione il volume contenuto fra il fondo della morsettiera 90 e la sommità della struttura IMS 51 viene rienpito attraverso l'apertura di riempimento 110 nella morsettiera 90 con un silicone soffice fino ad un'altezza sopra l'altezza delle varie matrici e dei leganti di collegamento.
Un piccolo spazio di dilatazione può essere previsto nel fondo della morsettiera 90 come è illustrato meglio nella Figura 6. La Figura 6 illustra, in linee tratteggiate, il livello al quale il silicone soffice può arrivare nel volume interno fra la sommità del substrato IMS 51 e il fondo della carcassa 90.
Dopo lo riempimento del volume con silicone soffice il volume viene chiuso in modo stagno chiudendo l'apertura 110,per esempio con una sfera di plastica 111 che viene incollata in posizione. La carcassa superiore 50 verrà poi montata facendo scorrere i terminali 55, 56 e 57 attraverso le aperture 90, 80, 81 e 82 del coperchio superiore fino a quando le linee di piegatura di questi terminali sono allineate con le sommità delle sporgenze 55, 56 e 57 della Figura 1, di modo che i terminali possano essere facilmente piegati verso il basso dopo che il montaggio è stato completato.
Per assicurare un buon isolamento fra i terminali nella regione fra il fondo della carcassa superiore e la sommità della morsettiera 90, è prevista una nuova struttura, nella quale la morsettiera è prevista con sporgenze rivolte verso l'alto 91, 92, 93 e 94 che si inseriscono entro o sono circondate dalle nervature prolungate, come le nervature 82, 83, 84, 85 e 86 e le zone racchiuse da esse nel fondo della carcassa superiore.
La cavità di queste regioni coopera per isolate i terminali uno dall'altro.Preferibilmente l'area sulla sommità della carcassa 90 e circoscritta dello spigolo 20 (Figure 10 e 21) è riempita fino ad approssimativamente la sua semialtezza con un adesivo o colla adatto/a.Questa colla circonderà i terminali 55, 56 e 57 nella Figura 2.Quando il coperchio superiore 50 viene quindi montato, le varie nervature sporgeranno negli spazi definiti fra le sporgenze da 91 a 94 e attorno a queste sporgenze e entro la colla, in tal nodo chiudendo efficacemente in nodo stagno i terminali per chiudere in modo stagno l'intera carcassa evitando l'ingresso dell'umidità nel suo interno.Nello stesso tempo una colla o adesivo può anche essere usata/o per chiudere in modo stagno il bordo del substrato IMS 51 e fra tale bordo e la scanalatura sul fondo della carcassa illustrata nella Figura 6.
Il tal modo viene realizzata una carcassa completamente stagna, con i terminali isolati molto bene uno dall'altro e con i componenti a semiconduttori entro la carcassa passivati in modo sicuro con un silicone che si dilata e si contrae liberamente.
Nella descrizione sopra citata dell'invenzione la forma di realizzazione preferita è stata illustrata con dimensioni particolari. Si comprenderà che le dimensioni illustrate possono variare mentre anche questo concetto è incluso nei concetti dell'invenzione. Per esempio la larghezza del dispositivo può essere raddoppiata per ottenere uno spazio per un terzo e un quarto dispersore termico con conponenti a semiconduttori che possono essere collegati in parallelo a quelli posti sui dispersori termici 170 e 180.Pertanto il substrato IMS 51 sarà raddoppiato e tutti i conponenti saranno evidentemente più grandi per adattarsi a questa nuova dimensione.
In generale l'invenzione permette l'uso del dispersore termico di dimensioni massime per ottenere la massima prestazione termica del grippo.La soluzione della tenuta del terminale fornisce una tenuta affidabile con dilatazione termica per la gelatina di silicone e la morsettiera stampa/premontata rende il grippo più facilmente fabbricabile.Queste tre innovazioni forniscono un grippo IMS completo con migliori prestazioni, affidabilità e possibilità di fabbricazione.
La prestazione viene migliorata usando i chip IGBT paralleli per creare interruttori per correnti elevate. I resistori di porta sono integrati nei chip, permettendo che le porte siano collegate assieme con colla, eliminando l'area di conduttore di substrato IMS e di resistere.Questo permette che i dispersori termici siano più grandi per massimizzare la dissipazione di energia attraverso l'isolatore epossidico del substrato IMS. Si noti che il substrato IMS richiede e permette che queste aree siano più grandi dei moduli usuali del tipo di metallo/ceramica. I dispersori termici più grandi riducono la resistenza termica del dispositivo (theta-jc), e sono accoppiati termicamente con i singoli chip IGBT per una migliore commutazione dei chip collegati in parallelo.
L'affidabilità viene migliorata dalla gelatina di silicone che protegge i chip a semiconduttori dall'umidità e da altri fattori ambientali.Nei moduli di alta potenza che richiedono terminali di rame grandi che escono dalla sommità del gruppo, l'industria è stata forzata ad applicare, sulla sommità della gelatina di silicone, una resina epossidica relativamente sporgente.
Questo delimita la gelatina di silicone, spesso provocando la rottura del gruppo, e la perdita della gelatina di silicone associata e il danneggiamento della tenuta di silicone.
Il supporto del terminale che fornisce il supporto meccanico e una tenuta dei terminali sulla morsettiera innovativa per la carcassa del gruppo garantisce uno spazio di dilatazione termica sopra la gelatina di silicone.
Questo spazio di dilatazione termica evita che la gelatina di silicone rompa il gruppo in caso di temperature elevate.
La morsettiera di supporto di terminali stampata fornisce un supporto di alta precisione facilmente fabbricabile per i terminali,permettendo che essi siano allineati alla copertura del substrato e siano adatti per il caso di un singolo gruppo premontato.Questo elimina gli accessori di fabbricazione e i sistemi di installazione conplessi per il riflusso della lega per saldatura, la sistemazione dei conponenti e la chiusura del gruppo.
Sebbene la presente invenzione sia stata descritta in relazione a sue forme di realizzazione particolari,molte altre varianti e modifiche e altri usi diverranno evidenti alle persone esperte della tecnica. Si preferisce,pertanto, che la presente invenzione sia limitata non dalla specifica rivelazione qui descritta,ma solo dalle rivendicazioni allegate.

Claims (42)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un modulo a semiconduttori di potenza conprendente: una carcassa isolante, una pluralità di matrici di semiconduttori interconnesse entro la detta carcassa per formare un circuito elettrico predeterminato, un substrato termicamente conduttivo chiuso su una sua superficie dalla detta carcassa e che sostiene la detta pluralità di matrici di semiconduttori sulla sua detta prima superficie, ed una pluralità di terminali, ciascuno dei quali è collegato in un'estremità con il detto circuito elettrico formato dalle dette matrici di semiconduttori e estendentesi attraverso la detta carcassa per il collegamento con i circuiti esterni della detta carcassa; il detto substrato termicamente conduttivo comprendendo una piastra inferiore relativamente spessa di materiale conduttivo, uno strato relativamente sottile di materiale isolante sulla sommità della detta piastra inferiore,e uno strato relativamente sottile di materiale conduttivo disposto sopra il detto strato di materiale isolante ed avente una assegnata configurazione topologica sul detto strato di materiale isolante; e almeno una piastra conduttiva piatta collegata su sostanzialmente la sua completa superficie inferiore con un'area del detto strato relativamente sottile di materiale conduttivo e conprendente una piastra di dispersore termico; e almeno alcune matrici scelte fra la detta pluralità di matrici di semiconduttori essendo saldate nelle loro superfici inferiori sulla superficie superiore della detta piastra di dispersore termico in relazione a distanza ravvicinata fra loro e estendentisi lungo una linea che è generalmente disposta lungo il centro del detto dispersore termico,per cui il calore può essere trasmesso efficientemente dalla detta matrice all’area completa della detta piastra di dispersore termico.
  2. 2. Il dispositivo della rivendicazione 1, nel quale la detta piastra inferiore relativamente spessa e la detta piastra di dispersore termico sono di alluminio.
  3. 3. Il dispositivo della rivendicazione 1, nel quale la detta piastra di dispersore termico è rettangolare e ha una larghezza che è prossima alla larghezza completa della detta piastra inferiore relativamente spessa.
  4. 4. Il dispositivo della rivendicazione 1,nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori include matrici di IGBT.
  5. 5. Il dispositivo della rivendicazione 2,nel quale la detta piastra di dispersore termico è rettangolare e ha una larghezza che è prossima alla larghezza completa della detta piastra inferiore relativamente spessa.
  6. 6. Il dispositivo della rivendicazione 5, nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori include matrici di IGBT.
  7. 7. Il dispositivo della rivendicazione 4,nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori inoltre include la matrice di diodi a ricupero rapido collegata in parallelo con le rispettive matrici delle dette matrici di IGBT.
  8. 8. Il dispositivo della rivendicazione 7, nel quale le dette matrici di diodi a ricupero rapido sono distanziate fra loro e si estendono lungo una linea che è parallela alla linea delle dette matrici di IGBT.
  9. 9. Il dispositivo della rivendicazione 4, nel quale ciascuna delle dette matrici di IGBT contiene un resistore di porta collegato in serie con il suo elettrodo di porta; i detti resistor! di porta essendo integrati rispettivamente in ciascuna matrice.
  10. 10. Il dispositivo della rivendicazione 9, nel quale la detta pluralità di matrici a semiconduttori inoltre include le matrici di diodi a ricupero rapido che sono collegate in parallelo con le rispettive matrici delle dette matrici di IGBT.
  11. 11.Un substrato IMS per il montaggio di una pluralità di matrici di semiconduttori; il detto substrato IMS conprendendo una piastra inferiore relativamente spessa e piatta di materiale conduttivo; uno strato relativamente sottile di materiale isolante sulla sommità della detta piastra inferiore, ed uno strato relativamente sottile di materiale conduttivo disposto sopra il detto,strato di materiale isolante ed avente una data configurazione topologica sul detto strato di materiale isolante; e almeno una piastra di dispersore termico conduttiva piatta collegata su sostanzialmente la sua intera superficie inferiore con un'area del detto strato relativamente sottile di materiale conduttivo e conprendente una piastra di dispersore termico; le superfici inferiori di almeno alcune matrici scelte dalla detta pluralità di matrici a semiconduttori essendo saldate sulla superficie superiore della detta piastra di dispersore termico in relazione a distanza ravvicinata reciproca ed estendentisi lungo una linea che è generalmente lungo il centro del detto dispersore termico,per cui il calore può essere trasmesso efficacemente dalla detta matrice al volume completo della detta piastra di dispersore termico.
  12. 12. Il dispositivo della rivendicazione 11, nel quale la detta piastra di dispersore termico è rettangolare e ha una larghezza che è prossima alla larghezza completa della detta piastra inferiore relativamente spessa.
  13. 13. Il dispositivo della rivendicazione 11, nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori include matrici di IGBT.
  14. 14. Il dispositivo della rivendicazione 12, nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori include matrici di IGBT.
  15. 15. Il dispositivo della rivendicazione 13, nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori inoltre include le matrici a diodi a ricupero rapido che sono collegate in parallelo con le rispettive matrici delle dette matrici di IGBT.
  16. 16. Il dispositivo della rivendicazione 15, nel quale i detti diodi a ricupero rapido sono distanziati reciprocamente e si estendono lungo una linea che è parallela alla linea delle dette matrici di IGBT.
  17. 17. Il dispositivo della rivendicazione 13, nel quale ciascuna delle dette matrici di IGBT contiene un resistore di porta in serie con il suo elettrodo di porta; i detti resistori di porta essendo rispettivamente integrati in ciascuna matrice.
  18. 18.Un modulo semiconduttore di potenza conprendente: un coperchio di carcassa isolante avente un fondo aperto, una pluralità di matrici di semiconduttori interconnesse entro la detta carcassa per formare un circuito elettrico predeterminato, un substrato termicamente conduttivo estendentesi attraverso il e fissato al detto fondo aperto del detto coperchio della carcassa e che sostiene la detta pluralità di matrici di semiconduttori, una pluralità di terminali rigidi isolati reciprocamente e estendentisi generalmente perpendicolarmente rispetto al piano del detto substrato termicamente conduttivo, una morsettiera di supporto di terminali avente aperture distanziate passanti che ricevono e sono fissate a punti intermedi lungo le lunghezze della detta pluralità di terminali per sostenere i detti terminali in relazione distanziata parallela e isolati reciprocamente; ciascuno dei detti terminali avendo una prima ed una seconda regione di estremità; le dette prime regioni di estremità dei detti terminali essendo disposte in una piastra comune che è in generale conplanare con la superficie superiore del detto substrato termicamente conduttivo; la superficie superiore del detto substrato termicamente conduttivo avendo aree di collegamento conduttive distanziate in allineamento con le rispettive prime regioni di estremità della detta pluralità di terminali e nelle quali le dette prime estremità dei detti terminali sono fissate meccanicamente sul detto substrato conduttivo; il fondo della detta morsettiera essendo distanziato al di sopra della sommità del detto substrato termicamente conduttivo per definire un primo volume di dilatazione al di sopra del detto substrato; il detto coperchio superiore avendo aperture distanziate passanti in posizioni corrispondenti alla posizione della detta pluralità di terminali; la detta pluralità di terminali estendendosi attraverso le dette aperture nel detto coperchio superiore per essere accessibile per il collegamento esterno; la detta morsettiera essendo accolta entro il volume interno del detto coperchio superiore.
  19. 19. Il dispositivo della rivendicazione 18, nel quale la detta pluralità di terminali è collegata a scatto entro la detta morsettiera.
  20. 20. Il dispositivo della rivendicazione 18, nel quelle il detto primo volume è almeno parzialmente riempito con uno riempimento di silicone soffice.
  21. 21. Il dispositivo della rivendicazione 20,nel quale la detta morsettiera ha un'apertura passante chiudibile in modo stagno per iniettare il detto riempimento di silicone soffice nel detto primo volume.
  22. 22. Il dispositivo della rivendicazione 18, nel quale il detto substrato ha aperture di montaggio passanti in aree esterne al detto coperchio; la detta morsettiera avendo sporgenze rimovibili che sono accolte nelle dette aperture di montaggio per posizionare la detta morsettiera e le dette prime estremità della detta pluralità di terminali in allineamento con le loro rispettive aree di collegamento sul detto substrato durante il montaggio.
  23. 23. Il dispositivo della rivendicazione 18, nel quale le dette prime estremità dei detti terminali vengono piegate per definire aree di estremità piatte che sono parallele al piano del detto substrato.
  24. 24. Il dispositivo della rivendicazione 18, nel quale il detto substrato è un substrato IMS.
  25. 25. Il dispositivo della rivendicazione 18,nel quale il volume interno del detto coperchio superiore viene incollato sulla sommità della detta morsettiera, la detta colla chiudendo e rendendo stagna la periferia di ciascuno dei detti terminali quando essi si estendono attraverso la detta morsettiera e il detto coperchio superiore.
  26. 26. Il dispositivo della rivendicazione 25,nel quale la detta colla è una colla di silicone.
  27. 27. Il dispositivo della rivendicazione 25, nel quale la sommità della detta morsettiera ha una cavità sottile di ricezione della colla attraverso la quale si estende la detta pluralità di terrninali, e nel quale il volume interno del detto coperchio superiore ha una pluralità di sporgenze integrate che sporgono nella detta cavità e circondano i detti terminal.
  28. 28. Il dispositivo della rivendicazione 21, nel quale la detta pluralità di terminali è collegata a scatto entro la detta morsettiera.
  29. 29. Il dispositivo della rivendicazione 21, nel quale le dette prime estremità dei detti terminali vengono piegate per definire le aree di estremità piatte che sono parallele al piano del detto substrato.
  30. 30. Il dispositivo della rivendicazione 28, nel quale il detto substrato è un substrato IMS.
  31. 31. Il dispositivo della rivendicazione 29, nel quale il detto substrato è un substrato IMS.
  32. 32. Il dispositivo della rivendicazione 21, nel quale la parte interna del detto coperchio superiore viene incollata sulla sommità della detta morsettiera, la detta colla circondando e chiudendo a tenuta stagna la periferia di ciascuno dei detti terminali, nel quale essi si estendono attraverso la detta morsettiera e il detto coperchio superiore.
  33. 33. Il dispositivo della rivendicazione 32, nel quale la sonmità della detta morsettiera ha una cavità sottile di ricezione della colla attraverso la quale si estende la detta pluralità di terminali; e nel quale il volume interno del detto coperchio superiore ha una pluralità di sporgenze integrate che sporgono nella detta cavità e circondano i detti terminali.
  34. 34. Il dispositivo della rivendicazione 18, nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori include una matrice di IGBT.
  35. 35. Il dispositivo della rivendicazione 18, nel quale il detto substrato termicamente conduttivo conprende una piastra inferiore piatta relativamente spessa di materiale conduttivo, uno strato relativamente sottile di materiale isolante sulla sonnità della detta piastra inferiore, ed uno strato relativamente sottile di materiale conduttivo disposto sopra il detto strato di materiale isolante ed avente una data configurazione topologica sul detto strato di materiale isolante; e almeno una piastra di dispersore termico conduttivo piatta collegata su sostanzialmente la sua intera superficie inferiore con un'area del detto strato relativamente sottile di materiale conduttivo e comprendente una piastra di dispersore termico; almeno alcune matrici scelte nella detta pluralità di matrici di semiconduttori essendo saldate alla superficie superiore della detta piastra di dispersore termico in relazione a distanza ravvicinata reciprocamente ed estendentisi lungo una linea che è generalmente lungo il e attraverso il centro del detto dispersore termico,per cui il calore può essere trasmesso efficacemente dalla detta matrice al detto volume completo della detta piastra di dispersore termico.
  36. 36. Il dispositivo della rivendicazione 35, nel quale la detta piastra inferiore relativamente spessa e la detta piastra di dispersore termico sono di alluminio.
  37. 37. Il dispositivo della rivendicazione 36, nel quale la detta piastra di dispersore termico è una piastra rettangolare avente una larghezza che è prossima alla larghezza completa della detta piastra inferiore relativamente spessa.
  38. 38. Il dispositivo della rivendicazione 18, nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori include matrici di IGBT.
  39. 39. Il dispositivo della rivendicazione 35, nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori include matrici di IGBT.
  40. 40. Il dispositivo della rivendicazione 38, nel quale la detta pluralità di matrici di semiconduttori inoltre include una matrice di diodi a ricupero rapido che sono collegati in parallelo con i rispettivi chip delle dette matrici di IGBT.
  41. 41. Il dispositivo della rivendicazione 40, nel quale le dette matrici di diodi a ricupero rapido sono distanziate reciprocamente e si estendono lungo una linea che è parallela alla linea delle dette matrici di IGBT.
  42. 42. Il dispositivo della rivendicazione 41, nel quale ciascuna delle dette matrici di IGBT contiene un resistore di porta in serie con il suo elettrodo di porta; ì detti resistori di porta essendo rispettivamente integrati in ciascuna matrice.
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