СИЛОВОЙ БЕСПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2006 года по МПК H01L25/00 

Описание патента на изобретение RU2274928C2

Изобретение относится к производству силовых модулей на основе диодов, тиристоров, транзисторов и других полупроводниковых приборов и может использоваться в высоковольтной преобразовательной технике для различных отраслей промышленности, транспорта, энергетики, коммунального хозяйства.

Полупроводниковый элемент в силовом беспотенциальном модуле размещают на металлокерамической плате (МКП), которая соединена с основанием модуля. Электрические и тепловые контакты между этими элементами модуля реализуются на практике с помощью пайки или механического сжатия сборки с определенным усилием. Тепло, выделяемое при протекании тока в полупроводниковых элементах, передается в охлаждающую систему через металлокерамическую плату и основание, выполненное из меди, металломатричных композитов типа AlSiC или других материалов, обладающих высокой теплопроводностью и механической прочностью. Напряжение изоляции между основанием и выводами модуля (Visol) определяется как конструкцией и материалом корпуса, так и размерами и свойствами металлокерамической платы, основу которой составляет оксид алюминия (Al2O3) или нитрид алюминия (AlN), имеющие хорошую теплопроводность и высокие диэлектрические характеристики. Электрическая прочность изоляции внутри модуля определяется толщиной керамики металлокерамической платы, длиной изоляционных промежутков "край керамики - край металлизации платы" и диэлектрическими свойствами используемого для герметизации модуля заливочного компаунда.

Известны и производятся в России силовые беспотенциальные модули прижимной [ТУ 16-92 ИЕАЛ.437130.002 ТУ. Модуль силовой полупроводниковый типа МТТ250, МТТ200] и паяной [ТУ 16-2000 ИЕАЛ.435700.008 ТУ. Модули силовые серий МТКИ, М2ТКИ, МДТКИ] конструкций, в которых в качестве изолирующих элементов применены однослойные керамические платы на основе Al2O3 и AlN. Напряжение изоляции этих модулей в зависимости от толщины керамики составляет от 2500 до 6000 В (эффективное значение) [ТУ 16-92 ИЕАЛ.437130.002 ТУ. Модуль силовой полупроводниковый типа МТТ250, МТТ200], [ТУ 16-2000 ИЕАЛ.435700.008 ТУ. Модули силовые серий МТКИ, М2ТКИ, МДТКИ].

Известны также силовые модули зарубежных фирм [Mitsubishi Electric Power Devices. Data CD, 2003], [Hitachi High-Power IGBT Modules. Short form catalog, 2001], [Eupec Power Semiconductors Data CD, 2003], которые в аналогичных конструктивах имеют такие же напряжения изоляции. Некоторые из них, используя толстую керамику из нитрида алюминия, а также большие изоляционные промежутки достигли более высоких значений напряжения изоляции: 9500 В у высоковольтных модулей фирмы Hitachi [Hitachi High-Power IGBT Modules. Short form catalog, 2001] и 10200 В у высоковольтных модулей фирмы Eupec [Eupec Power Semiconductors Data CD, 2003].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является силовой модуль типа SKM200GB172DL 1 производства фирмы Semikron, у которого напряжение изоляции, равное 9000 В, достигнуто с применением МКП из нитрида алюминия толщиной 1 мм с изоляционными промежутками длиной 2 мм.

Однако в некоторых областях применения, например, в потенциалоразделяющих преобразователях бортового питания электровозов постоянного тока для российских железных дорог, особенно актуальным является использование модулей с напряжением изоляции более 13000 В. С этой целью для дальнейшего увеличения напряжения изоляции необходимо увеличивать толщину и изоляционные промежутки МКП. Длину изоляционных промежутков можно увеличить до определенного предела, ограниченного размерами полупроводникового элемента, который монтируется на МКП. Увеличение же толщины керамики приводит к возникновению ряда проблем. Во-первых, резко возрастает стоимость МКП с толщиной керамики более 1 мм. Во-вторых, увеличение толщины керамики приводит к снижению электрической прочности изоляции из-за большей вероятности появления в материале пустот, которые являются причиной частичного разряда при высоких напряженностях электрического поля [DBC Substrates with Reduced Ceramic Thickness in Power Semiconductor Modules, Dr. - Ing.J.Schulz-Harger, P.H.Maier, PCIM, 1/1996]. Из-за этого на более толстой керамике не удается получить пропорционального увеличения напряжения изоляции.

Задача изобретения - увеличение электрической прочности изоляции силового беспотенциального модуля при условии минимизации теплового сопротивления и массогабаритных характеристик прибора.

Техническим результатом изобретения является не менее чем двукратное увеличение напряжения изоляции между выводами и основанием силового модуля за счет использования внутреннего емкостного делителя напряжения на основе металлокерамических плат.

Поставленная задача достигается тем, что в силовом беспотенциальном модуле, состоящем из медного основания, выводов, корпуса, керамической платы с закрепленной на ней полупроводниковым элементом, между этой платой и основанием последовательно размещаются определенное количество металлокерамических плат (1, 2, 3...n) и термокомпенсатор (ТК), который одной своей контактной поверхностью соединен с нижней металлокерамической платой, а другой поверхностью с основанием модуля, при этом размеры рабочей поверхности термокомпенсатора повторяют размеры металлизации контактируемой с ним металлокерамической платы, а толщина термокомпенсатора должна быть не менее длины изоляционного промежутка от края нижней платы до края ее металлизации.

Предлагаемое техническое решение основано на принципе деления напряжения на последовательно соединенных конденсаторах. Если имеется n последовательно соединенных конденсаторов с емкостями C1, С2...Сn и к цепи приложено напряжение V, то для данной схемы справедливы соотношения:

В простейшем случае при n=2 и C1=C2 будет иметь место равенство напряжений на конденсаторах:

Поэтому, если соединить две одинаковые металлокерамические платы, получится электрическая схема, состоящая из двух последовательно соединенных конденсаторов одинаковой емкости, при этом приложенное напряжение будет делиться пополам. Для реализации данного решения достаточно использовать, по крайней мере, две металлокерамические платы стандартной толщины (до 1 мм включительно), что позволяет получить двукратное увеличение Visol при оптимальном сочетании тепловых и стоимостных характеристик модуля. Керамические платы могут быть соединены друг с другом любым способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт (пайка, прижим и др.). Для обеспечения равномерного деления напряжения на металлокерамических платах между нижней платой и основанием размещается молибденовая пластина с толщиной не менее длины изоляционного промежутка от края керамики до края металлизации МКП и с площадью контактной поверхности, равной площади нижней металлизации платы.

На фиг.1 представлена конструкция силового модуля - прототипа, на фиг.2 - основание модуля с напаянной металлокерамической платой и полупроводниковыми элементами, на фиг.3 - конструкция силового модуля с повышенным напряжением изоляции, фиг.4 - основание модуля с напаянными металлокерамическими платами, полупроводниковыми элементами и термокомпенсатором. Полупроводниковые элементы (1) соединены с металлокерамической платой (2), которая закреплена на основании (4). Модуль собран в пластмассовом корпусе (5) и залит гелеобразным кремнийорганическим компаундом (7). Напряжение изоляции прототипа между выводами (6) и основанием (4) определяется внутренним изоляционным промежутком между краем верхней металлизации платы и ближайшей точкой на поверхности основания, равным сумме расстояний "а" и "d" (фиг.2). На фиг.3 представлена конструкция силового модуля с повышенным напряжением изоляции. Отличие от прототипа заключается в том, что в модуле применен емкостной делитель напряжения, выполненный в виде нескольких последовательно соединенных металлокерамических плат. Для равномерного деления напряжения на всех металлокерамических платах емкости каждой платы должны быть одинаковы, поэтому использованы МКП с одинаковой толщиной керамики (d1=d2) и площадью металлизации.

Для выравнивания напряжений пробоя по краю каждой металлокерамической платы, для модуля, в котором применяются две МКП, нижняя плата должна быть приподнята над поверхностью основания на высоту "b", которая должна быть не менее длины изоляционного промежутка "а" между краем керамики и краем металлизации МКП (фиг.4). С этой целью между нижней МКП и основанием помещается молибденовая пластина (3) с толщиной, равной или больше длины изоляционного промежутка "а", и с размерами рабочей поверхности, повторяющими размеры металлизации нижней МКП.

Такая конструкция силового модуля позволила не менее чем в два раза увеличить напряжение изоляции, обеспечить низкое значение частичного разряда и высокую стабильность в процессе диэлектрических испытаний, снизить механические напряжения в металлокерамических платах, более чем в два раза снизить электрическую емкость между основанием и силовыми выводами и, вследствие этого, уменьшить токи смещения, вызванные всплесками напряжения в питающих сетях.

Похожие патенты RU2274928C2

название год авторы номер документа
КОРПУС БЕСПОТЕНЦИАЛЬНОГО СИЛОВОГО МОДУЛЯ 2020
  • Биларус Илья Александрович
  • Чупрунов Алексей Геннадьевич
  • Пронин Андрей Анатольевич
  • Сидоров Владимир Алексеевич
RU2740028C1
Металлокерамический корпус силового полупроводникового модуля на основе высокотеплопроводной керамики и способ его изготовления 2018
  • Ивашко Артем Игоревич
  • Крымко Михаил Миронович
  • Корнеев Сергей Викторович
  • Максимов Анатолий Нестерович
RU2688035C1
СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2000
  • Таланин Ю.В.
RU2195791C2
Способ изготовления керамических плат для СВЧ монолитных интегральных схем 2022
  • Чупрунов Алексей Геннадьевич
  • Зайцев Александр Александрович
  • Сидоров Владимир Алексеевич
  • Гришаева Александра Сергеевна
RU2803667C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО 1999
  • Тадао Кушима
  • Акира Танака
  • Рюичи Саито
  • Казухиро Сузуки
  • Ешихико Коике
  • Хидео Шимизу
RU2165115C2
СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КЕРАМИКИ С ПОМОЩЬЮ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОЙ ЛЕНТЫ 2018
  • Непочатов Юрий Кондратьевич
RU2711239C2
КОРПУС МОДУЛЯ И СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ 2002
  • Мейсенк Люк
  • Хамиди Амина
  • Йерг Пидер
  • Акдаг Алпер
RU2298857C2
Способ изготовления силового полупроводникового прибора с прижимными контактами 2022
  • Гришанин Алексей Владимирович
  • Елисеев Вячеслав Васильевич
  • Фисенко Алексей Леонидович
  • Малыгин Михаил Юрьевич
  • Фролов Олег Валерьевич
  • Мартыненко Валентин Александрович
RU2803253C1
КОРПУС ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА 2011
  • Кожевников Владимир Андреевич
  • Бражникова Тамара Ивановна
  • Марченко Олег Васильевич
  • Пахомов Олег Николаевич
RU2477544C1
УСТРОЙСТВО ДРЕЙФОВОЙ ТРУБКИ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ 2009
  • Беляков Владимир Васильевич
  • Першенков Вячеслав Сергеевич
  • Головин Анатолий Владимирович
RU2398309C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 274 928 C2

Реферат патента 2006 года СИЛОВОЙ БЕСПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ИЗОЛЯЦИИ

Изобретение относится к производству силовых модулей на основе диодов, тиристоров, транзисторов и других полупроводниковых приборов и может использоваться в высоковольтной преобразовательной технике для различных отраслей промышленности, транспорта, энергетики, коммунального хозяйства. Технический результат - не менее чем двукратное увеличение напряжения изоляции между выводами и основанием силового модуля за счет использования внутреннего емкостного делителя напряжения на основе металлокерамических плат. Достигается тем, что в силовом беспотенциальном модуле, состоящем из основания, выводов, корпуса, металлокерамической платы с закрепленным на ней полупроводниковым элементом, между полупроводниковым элементом и основанием последовательно размещаются: емкостной делитель напряжения, состоящий из минимум двух металлокерамических плат, соединенных с образованием электрической схемы, состоящей из минимум двух последовательно соединенных конденсаторов, и термокомпенсатор, который одной своей контактной поверхностью соединен с нижней металлокерамической платой и другой поверхностью с основанием модуля, при этом размеры рабочей поверхности термокомпенсатора повторяют размеры металлизации контактируемой с ним металлокерамической платы, а толщина термокомпенсатора должна быть не менее длины изоляционного промежутка от края нижней платы до края ее металлизации. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 274 928 C2

Силовой беспотенциальный модуль с повышенным напряжением изоляции, состоящий из основания, выводов, корпуса, металлокерамической платы с закрепленным на ней полупроводниковым элементом, отличающийся тем, что между полупроводниковым элементом и основанием последовательно размещаются емкостной делитель напряжения, состоящий из минимум двух металлокерамических плат, соединенных с образованием электрической схемы, состоящей из минимум двух последовательно соединенных конденсаторов, и термокомпенсатор, который одной своей контактной поверхностью соединен с нижней металлокерамической платой и другой поверхностью с основанием модуля, при этом размеры рабочей поверхности термокомпенсатора повторяют размеры металлизации контактируемой с ним металлокерамической платы, а толщина термокомпенсатора должна быть не менее длины изоляционного промежутка от края нижней платы до края ее металлизации.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2274928C2

Силовой полупроводниковый модуль 1986
  • Шабоян Сергей Акопович
  • Шабоян Армен Сергеевич
SU1396181A1
RU 2058622 C1, 20.04.1996
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1992
  • Нефедов Борис Вениаминович
RU2030023C1
Полупроводниковый модуль 1990
  • Горохов Людвиг Васильевич
  • Гридин Лев Никифорович
  • Кузьминов Анатолий Петрович
  • Лифанова Елена Николаевна
  • Матанов Александр Викторович
  • Фалин Анатолий Иванович
SU1756978A1
DE 19719648 A1, 12.11.1998.

RU 2 274 928 C2

Авторы

Бормотов Алексей Тимофеевич

Елисеев Вячеслав Васильевич

Мартыненко Валентин Александрович

Мускатиньев Вячеслав Геннадьевич

Чибиркин Владимир Васильевич

Даты

2006-04-20Публикация

2004-01-09Подача