СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ С ЗАМКНУТЫМИ ПОДМОДУЛЯМИ Российский патент 2003 года по МПК H01L25/16 

Изобретение относится к области силовой электроники. В его основе лежит силовой полупроводниковый модуль с большим количеством подмодулей согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Силовые полупроводниковые модули для промышленности, тяги и иных возможностей применения часто построены в виде модулей, состоящих из множества силовых полупроводниковых конструктивных элементов как, например, тиристоры, двунаправленные тиристоры (GТО), обычные транзисторы (МСТ), силовые диоды, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). В частности, МОП-управляемые полупроводниковые чипы можно изготавливать лишь с относительно небольшими активно управляемыми поверхностями или коммутационными способностями.

Поэтому, например, для модуля, рассчитанного на 1200 А, обычно включают параллельно 20 биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) с образованием силового полупроводникового модуля.

Подобный силовой полупроводниковый модуль или силовая часть известен, например, из заявки на Европейский патент ЕР-А1 - 0597144. Для параллельного включения нескольких подмодулей и для их подключения снаружи предлагают гибридную электронную конструкции. Подмодуль на своей подложке несет несколько, обычно 4-6, силовых полупроводников, которые вместе соединены в один функциональный блок. На общей несущей плате подмодули смонтированы вместе со штабельным расположением обладающих слабой индуктивностью полупроводниковых контурных слоев с расположенными между ними слоями изолирующего материала. Несущая плата выполнена предпочтительно в виде радиатора. С помощью такой конструкции реализован механически стабильный, выдерживающий термические нагрузки силовой полупроводниковый модуль.

Подмодули выполнены без корпуса, чтобы упростить контактирование с контурами проводников. Предпочтительно используют проволочные контактные соединения, но также, однако, возможны зажимные контакты или альтернативные соединения. Для защиты подмодулей и мест контактов также предлагают смонтированные подмодули заливать с силовым полупроводниковым модулем.

Эта известная модульная конструкция имеет значительные недостатки. Подмодули перед монтажом на несущей плате особенно легко подвержены повреждениям. При проверке работы отказ полупроводникового чипа приводит к потере всего подмодуля. Требуются относительно большие керамические подложки и, таким образом, термически проблематичные паяные соединения с несущей платой. Проволочные контактные соединения между подмодулями и проводниковыми контурами должны выдерживать большие нагрузки в отношении способности нести заряд и температурных циклов, что требует особых расходов и большой тщательности при процессах соединения. Также остаются под вопросом расположенные открыто на силовом полупроводниковом модуле проволочные контактные соединения. Если их залить, то замена одного подмодуля является трудной или невозможной, т.е. при отказе единственного полупроводникового чипа следует заменить весь силовой полупроводниковый модуль. В процессе работы к тому же получившие повышенную нагрузку из-за выпавших чипов места контактов могут разъединиться, могут образоваться электрические дуги, подложка оплавится насквозь и вызовет опасные короткие замыкания между проводниковым контуром и радиатором.

Силовые полупроводниковые модули с закрытым корпусом известны, например, из патента ФРГ DE-PS 3669017. Они имеют относительно сложную конструкцию с несколькими полупроводниковыми элементами, внутренними проволочными соединениями, внешними присоединительными накладками, керамическими опорами и т. д. Они окружены корпусом, обычно из пластмассы, с вводами для подсоединений и внутри залиты мягким гелем, твердой эпоксидной смолой или какой-либо комбинацией.

Изготовление такого заключения в корпус требует больших затрат и мало надежно. В частности, мягкая заливочная масса лишь недостаточно защищает от влаги и коррозии, напротив, твердая заливочная масса в случае взрыва может эмиттировать частицы и создать большие повреждения.

Задачей данного изобретения является создание усовершенствованного силового полупроводникового модуля с несколькими подмодулями, который отличается очень простой и гибкой конструкцией, прочностью и легкой заменяемостью подмодулей и очень хорошей возможностью воспринимать электрические и термические нагрузки. Задача, согласно изобретению, решается с помощью признаков п.1 формулы изобретения.

Сущностью изобретения является конструирование силовых полупроводниковых модулей из подмодулей, которые отличаются заключением в оболочку с внешними электродами для одного или нескольких силовых полупроводников, которые могут крепиться на общей плате основания с возможностью обратимости и могут контактировать с возможностью обратимости с подсоединяемыми извне, обладающими слабой индуктивностью проводниками.

Пример выполнения показывает подмодуль с оболочкой, которая отличается двумя внешними электродами в форме металлизированной подложки и металлической платы и заливкой электроизолирующей массой.

Другой пример выполнения представляет предпочтительную конструкцию силового полупроводникового модуля, в которой с помощью выступов и выемок в расположении штабелем проводниковых контуров образованы зажимные контакты, которые удерживают подмодули и осуществляют контактирование.

Другие примеры выполнения получаются из зависимых пунктов формулы изобретения.

Преимущество силового полупроводникового модуля согласно изобретению состоит в его повышенной модульности, более простом уходе и в возможности выбора масштаба в сторону более высоких или более низких мощностей переключения.

Другое преимущество силового полупроводникового модуля согласно изобретению состоит в том, что, несмотря на очень простую возможность замены подмодулей, достигается очень надежная электрическая и термическая связь между чипами.

Особым преимуществом является более высокая прочность при воздействии переменных нагрузок, благодаря осуществлению контактирования подмодулей с помощью нажимных контактов, а в случае дефекта - благоприятная низкоомная характеристика короткого замыкания.

Далее важное преимущество изобретения следует видеть также в том, что можно изготовлять и испытывать заключенные в оболочку подмодули в виде стандартных деталей, что дает возможность снизить потери материалов и стоимости.

Изобретение поясняется далее более подробно с помощью примеров выполнения, изображенных на чертежах, на которых показано:
фиг.1 - разрез подмодуля согласно изобретению;
фиг.2 - разрез силового полупроводникового модуля согласно изобретению с подмодулями по фиг.1;
фиг. 3 - известная электрическая схема IGBT (биполярного транзистора с изолированным затвором) с диодами обратной полярности для предпочтительной комплектации подмодуля по фиг.1.

На фигурах одинаковые части имеют одинаковые обозначения.

Фиг.1 показывает предпочтительный вариант выполнения подмодуля 1, являющегося предметом изобретения. На керамическую подложку 2 обычным способом, например, способом DCB (direct copper bonding непосредственное медное соединение) нанесено металлизированное покрытие 3. Силовые полупроводниковые чипы 5а, 5b спаяны вместе силовым контактом с посредством слоя 4 пайки с металлизированным слоем 3, а с противоположной плоской стороны - силовым контактом Е посредством другого слоя 6 пайки с молибденовым диском 7. Управляющий или затворный контакт G чипа 5b соединен с монтажным проводом 9. Чипы 5а и 5b залиты пластиком таким образом, что они со всех сторон или, по меньшей мере, в достаточной степени окружены керамической подложкой 2, молибденовым диском 7 и заливкой 8.

Благодаря этому заключению в оболочку подмодуль 1 образует механически стабильный, защищенный от внешних воздействий блок. К тому же выступающая часть металлизированного покрытия 3 подложки 2 и молибденовый диск 7 служат подмодулю в качестве внешних электродов 3, 7.

На фиг. 2 представлен предпочтительный пример выполнения силового полупроводникового модуля с подмодулями, заключенными в подобного рода оболочку. На плате 11 основания смонтирована штабельная система двух проводников 12, 14 с расположенными между ними изолирующими слоями 13а, 13b, 13с. Вырезы в штабельной системе выполнены в качестве мест 19 для вставки подмодулей 1. Контактные поверхности 20 для контактирования внешних электродов 3, 7, заключенных в оболочку подмодулей 1 образуются с помощью выступающих в виде язычков или пазообразно углубленных участков проводников 12, 14. Крепление подмодулей 1 осуществляется с помощью пружинных контактов 15, 16 на контактных поверхностях 20. Благодаря давлению нажатия получается также хороший тепловой контакт подмодулей 1 или их керамических подложек 2 по отношению к отводящей тепло плате 11 основания. Монтажные провода 9 посредством зажимных контактов 21 подсоединены к общему, расположенному в симметричной средней позиции затворному блоку (gate runner), который выполнен, например, в виде РСВ (printed circuit board - печатной платы).

Фиг. 3 показывает известную электрическую схему для взаимодействия биполярного транзистора с изолирующим затвором (IGBT) 22 с силовым полупроводниковым диодом 23. Эта комбинация силовых полупроводниковых чипов 5а, 5b представляет собой предпочтительную комплектацию для заключенного в оболочку подмодуля 1. При этом соответствующие силовые контакты С, Е обоих элементов, а именно коллектора и катода, а также эмиттера и анода, закорочены и соединены с внешними электродами 3, а также 7 подмодулей 1.

Изобретение включает далее другие примеры выполнения подмодулей 1 и силовых полупроводниковых модулей 10, некоторые из которых поясняются ниже более подробно.

Комплектация подмодуля 1 включает, по меньшей мере, один конструктивный силовой полупроводниковый элемент, как, например, тиристор, двунаправленный тиристор (GTO), обычный транзистор (МСТ), силовые диоды, силовой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) или полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET), причем при определенных условиях затворный контакт G, монтажный провод 9 и затворный блок 18 отпадают. Подмодуль 1 может, однако, также содержать другие монтажные компоненты. Однако подмодуль 1 должен содержать лишь немного элементов, чтобы сохранить преимущества модульности и гибкости. Особенно желательна минимальная комплектация, при которой еще обеспечивается полная функциональная способность и возможность проверки подмодуля 1, а многократных комплектаций для повышения мощности подмодуля 1 избегают.

Подложка 2 может состоять из какого-либо электроизолирующего и в достаточной степени теплопроводного материала, в частности, из A1N. Диск 7 может быть изготовлен из молибдена, других металлов, сплавов или иных материалов, обладающих проводимостью металла, если коэффициент термического расширения в достаточной степени подобен таковому материалу полупроводника. Вместо слоев пайки 4, 6 и монтажной проволоки 9 можно также применить другие технологии соединений, если достигнуто механически стабильное контактирование чипов 5а, 5Ь. Подмодуль 1 может также иметь несколько монтажных проводов 9 и, в общем, несколько затворных подсоединений 9 для одного или нескольких затворных контактов G. Контактирование с затворным блоком 18 можно осуществить вместо зажимных контактов 21 также с помощью штекеров или других легко разъединяемых контактов.

Заливка 8 может состоять вместо пластика также из другой электроизолирующей массы и получается предпочтительно путем литьевого прессования (transfer moulding). В частности, заливка 8 должна также защищать полученный с помощью проволочного соединения контакт G и, кроме того, механически подпирать выведенный монтажный провод или затворное подсоединение 9. Вид заливки 8 и таким образом подмодуля 1 выбран таким, чтобы можно было выдержать специфические сквозные проводящие дорожки и участки изоляции в воздухе или газе. Подложка 2 и металлическая плата 7 являются составными частями оболочки подмодуля и должны способствовать механической стабильности оболочки. Для этого предпочтительно, если подложка 2 и металлическая плата 7 выбираются настолько большими по площади, что они покрывают значительную часть, по меньшей мере, одного чипа 5а, 5b.

Образованные с помощью металлического покрытия 3 и металлической платы 7 внешние электроды 3, 7 наиболее просто выполнены плоскими, но могут, однако, также включать выступающие или отстоящие части или накладки. Важно, чтобы было обеспечено надежное, легко разъединяемое соединение для высоких токов между наружными электродами 3, 7 и проводниками 12, 14.

Устройство силового полупроводникового модуля 10 можно изменять, в частности, в отношении расположения подмодулей 1 и штабельной системы проводников 12, 14. В зависимости от требуемой коммутационной способности или числа подмодулей 1 можно величину и форму платы 11 основания, штабельной системы и одного или нескольких затворных блоков 18 приводить в соответствие друг с другом. Можно подготовить один или несколько рядов расположенных рядом друг с другом мест 19 вставки подмодулей 1. Заключенные согласно изобретению в оболочку и вставляемые подмодули 1 можно также комбинировать с известными открытыми или жестко смонтированными подмодулями. Подмодули 1 можно также привинчивать или закреплять иным способом с возможностью реверса. Штабельная система может включать изолирующие слои 13а, 13b, 13с из изолирующего твердого материала, воздушной изоляции или газовой изоляции, если проводники 12, 14 находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга. Затворный блок 18 можно заменить третьим слоем с проводниковыми контурами, например, полученным по РСВ-технологии. Проводящие контуры могут проходить в плоскостях или под углом и иметь накладки для подсоединения токовых шин. При этом, в особенности для подмодуля 1 с быстро включающимися чипами 5а, 5b, как, например, IGBT 22, важно, чтобы проводниковые контуры 12, 14, а также все подсоединения, были выполнены с низкой индуктивностью. Для нажимного контактирования наружных электродов 3, 7 подмодулей 1 можно также контактные поверхности 20 выполнить гибкими и пружинящими и исключить пружинные контакты 15, 16. Наконец, плата 11 основания предпочтительно выполнена в виде охладителя или в термической связи с охладителем. Охладитель можно выполнить в виде радиатора с ребрами, в виде жидкостного охладителя или т.п.

В принципе можно также подмодули 1 в целях экономии места расположить в нескольких плоскостях друг над другом и контактировать посредством многоэтажной штабельной системы проводниковых контуров, при этом следует обеспечить достаточный отвод тепла, например, с помощью тепловых мостиков к каждому подмодулю 1.

Силовые полупроводниковые модули наряду с упомянутыми вначале преимуществами имеют, в частности, следующие достоинства. После заключения в оболочку подмодулей 1 не требуется больше никаких других присоединений или пайки. В частности, отпадает паяный слой между имеющими большую площадь керамическими подложками обычных подмодулей и платой 11 основания. Таким образом, в значительной степени снижается опасность перегрузки паяных соединений вследствие разъединенных соединений или вследствие термомеханических перегрузок. После монтажа подмодулей 1 в силовом полупроводниковом модуле 10 не требуется никакой дальнейшей заливки, так как никакие компоненты или контакты не нуждаются в механической или электрической защите. Теперь для находящихся под напряжением частей 3, 7, 15, 16, 20 в области места 19 вставки достаточно воздушной изоляции 17. Из-за гибких нажимных контактов 15, 16, 20 силовой полупроводниковый модуль 10 согласно изобретению отличается очень высокой способностью выдерживать переменные термические нагрузки. При выпаде силовых полупроводниковых чипов 5а, 5b соответствующий подмодуль 1 может образовать низкоомное короткое замыкание. Это снижает опасность взрыва или, по меньшей мере, смягчает взрывные характеристики. Кроме того, низкоомная характеристика короткого замыкания имеет особые преимущества тогда, когда подмодули 1 согласно изобретению используют в последовательных схемах.

Перечень обозначений
1 замкнутый подмодуль
2 керамическая подложка
3 металлизированное покрытие, внешний электрод подмодуля
4, 6 паяный слой
5а, 5b силовой полупроводниковый чип
7 молибденовый диск, внешний электрод подмодуля
8 пластиковая заливка, изолирующая заливочная масса
9 монтажный провод, затворное подсоединение
10 силовой полупроводниковый модуль
11 плита основания, охладитель
12, 14 проводники
13а, 13b, изоляция из твердого материала, изолирующие слои 13с
15, 16 пружинные контакты, контакты
17 воздушная изоляция, газовая изоляция
18 затворный блок
19 место вставки подмодулей
20 контактные поверхности
21 зажимные контакты
22 IGBT
23 силовые полупроводниковые диоды
С, Е силовые контакты
С коллектор, катод
Е эмиттер, анод
G управляющий контакт, затворный контакто

Использование: изобретение может быть использовано в области силовой электроники. Технический результат изобретения заключается в издании силового полупроводникового модуля с замкнутыми подмодулями простой и гибкой конструкции, прочных, с легкой заменяемостью подмодулей, с хорошей возможностью воспринимать электрические и термические нагрузки. Сущность: силовой полупроводниковый модуль содержит заключенные в оболочку подмодули. Подмодули имеют сэндвичеподобную конструкцию, состоящую из керамической подложки, одного или нескольких силовых полупроводниковых чипов и молибденового диска и залиты пластиком. Их закрепляют в местах вставки на общей плате основания и контактируют с помощью штабельной системы проводников. Крепление и контактирование подмодулей осуществляется обратимо с помощью нажимных контактов. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Силовой полупроводниковый модуль (10) с большим числом подмодулей (1), содержащих соответственно, по меньшей мере, один полупроводниковый чип (5а, 5b), причем подмодули (1) закреплены на общей, отводящей тепло плате (11) основания и имеют электрический контакт с подсоединяемыми снаружи проводниками (12, 14, 18), отличающийся тем, что полупроводниковые чипы (5а, 5b) одного подмодуля (1) заключены в оболочку, оболочка подмодулей (1) содержит внешние электроды (3, 7) для силовых контактов (С, Е), по меньшей мере, одного полупроводникового чипа (5а, 5b), причем крепление и контактирование каждого заключенного в оболочку подмодуля (1) на силовом полупроводниковом модуле (10) выполнены с возможностью легкого разъединения. 2. Силовой полупроводниковый модуль по п. 1, отличающийся тем, что оболочка подмодулей (1) включает в себя заливку (8) из электроизолирующей массы, причем внешние электроды (3, 7) выполнены плоскими и, в частности, затворное подсоединение (9) для затворного контакта (G), по меньшей мере, одного полупроводникового чипа (5а, 5b) выведено через заливку (8). 3. Силовой полупроводниковый модуль по п. 1 или 2, отличающийся тем, что оболочка подмодулей (1) включает в себя электроизолирующую подложку (2) с металлизированным покрытием (3) и металлической пластиной (7), причем, по меньшей мере, один полупроводниковый чип (5а, 5b) своими силовыми контактами (С, Е) предпочтительно с помощью слоев пайки (4, 6) электрически соединен с металлизированным покрытием (3) или металлической пластиной (7), а внешние электроды включают в себя выступающую часть металлизированной подложки (3) и металлическую пластину (7). 4. Силовой полупроводниковый модуль по п. 3, отличающийся тем, что подмодуль (1) имеет минимальную комплектацию полупроводниковыми чипами (5а, 5b), в частности, имеет один биполярный транзистор (22) с изолированным затвором (IGBT) и/или один силовой диод (23), подложка (2) содержит керамический материал, металлическая пластина (7) содержит молибден, заливочная масса (8) состоит из пластика, а затворное подсоединение (9) представляет собой монтажный провод. 5. Силовой полупроводниковый модуль по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что провода (12, 14) расположены над платой (11) основания в стопке со слабой индуктивностью и на достаточном расстоянии друг над другом для обеспечения электрической изоляции (13а, 13b, 13с, 17), выполнены участки в стопке с выступающими в виде язычков или выбранными в виде пазов областями проводников в качестве мест (19) вставки и с поверхностями (20) подсоединения для заключенных в оболочку подмодулей (1), в частности, затворные контакты заключенных в оболочку подмодулей (1) посредством затворных подсоединений (9) соединены с затворным блоком (18). 6. Силовой полупроводниковый модуль по п. 6, отличающийся тем, что проводники (12, 14) находятся на расстоянии друг от друга благодаря изоляции (13а, 13b, 13с) из твердого материала, а в области мест (19) вставки - благодаря воздушной или газовой изоляции (17), при этом предусмотрено нажимное контактирование внешних электродов (3, 7) подмодулей (1) посредством контактных поверхностей (20) и, в частности, контактные поверхности (20) оснащены пружинными контактами (15, 16). 7. Силовой полупроводниковый модуль по одному из пп. 3-6, отличающийся тем, что плата (11) основания выполнена в виде охладителя или находится в термической связи с охладителем, подложка (2) имеет хорошую теплопроводность и подмодули (1) выполнены с возможностью закрепления рядом друг с другом с хорошим тепловым контактом по отношению к плате (11) основания. 8. Силовой полупроводниковый модуль по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что количество подмодулей выбирается по заданной величине требуемой коммутационной способности силового полупроводникового модуля (10).