Unidad de control eléctrico con: una placa de circuitos impresos (1) y un componente semiconductor de potencia (2) sobre el lado superior de la placa de circuitos impresos (1);

un elemento termoconductor (3.1; 8), que está en contacto térmico con el componente semiconductor de potencia (2) mediante una abertura en la placa de circuitos impresos (1); un cuerpo de refrigeración (5) dispuesto sobre el lado inferior de la placa de circuitos impresos (1) destinado a disipar el calor producido durante el funcionamiento del componente semiconductor de potencia (2), caracterizado porque comprende: una barra conductora (3; 7) en contacto plano con el lado inferior de la placa de circuitos impresos (1), que está en contacto térmico y eléctrico con el elemento termoconductor (3.1; 8), de modo que el elemento termoconductor (3.1; 8), a través de la abertura de la placa de circuitos impresos, está en contacto eléctrico con el elemento semiconductor de potencia (2) para la entrada o salida de corriente eléctrica de la placa de circuitos impresos (1), y el cuerpo de refrigeración (5) está dispuesto sobre la barra conductora (3; 7), en contacto térmico con la misma

Barra conductora con eliminación de calor.

La presente invención se refiere a una unidad de control eléctrico con alimentación de corriente y evacuación de calor mejoradas, así como a un correspondiente procedimiento de fabricación.

En los aparatos de control o módulos de control, tales como los que se utilizan, por ejemplo, en los sistemas eléctricos de vehículos a motor para conectar y distribuir corrientes eléctricas de alta intensidad, la entrada y salida de corriente de alta intensidad, con frecuencia de 100 A hasta 200 A y más, hacia y desde una placa de circuitos impresos, plantea un problema porque las corrientes eléctricas se deben hacer entrar y salir mediante componentes mecánicos adecuadamente macizos tales como, por ejemplo, barras conductoras o conexiones de enchufe para gran amperaje. Las placas de circuitos impresos se utilizan preferentemente en los aparatos o módulos de control como portadores de circuitos en todos los casos en los que para conectar y distribuir las corrientes se emplean conmutadores semiconductores tales como, por ejemplo, transistores de efecto de campo o transistores bipolares con un correspondiente circuito de control que consta de componentes electrónicos adicionales. El documento DE-A-19518522 da a conocer un aparato de control de esta clase.

Un campo de aplicación concreto para tales aparatos de control es, por ejemplo, el control de calefacciones adicionales de vehículos a motor, en las que, mediante resistencias calefactoras, los llamados preferentemente elementos PTC (PTC = "positive temperature coefficient", "coeficiente de temperatura positivo"), la energía eléctrica se transforma en calor y se cede a una corriente de aire mediante radiadores. Las calefacciones adicionales de esta clase pueden comprender varios niveles de calefacción controlados individual o conjuntamente. Para adaptar la potencia de calefacción a la necesidad de calor y/o a la potencia eléctrica disponible en cada momento en el sistema eléctrico del vehículo, las calefacciones adicionales generalmente se controlan mediante modulación de amplitud de impulsos. Para conectar y distribuir la corriente de calefacción a cada nivel de calefacción, se utilizan los conmutadores semiconductores antes citados. Para simplificar el montaje, los registros de tiro y el correspondiente aparato de control se realizan en forma de componente unificado, de modo que los circuitos electrónicos de control pueden estar integrados en el marco del registro de tiro.

Preferentemente, todos los componentes electrónicos se realizan actualmente en forma de componentes que se pueden montar sobre una superficie, los llamados componentes "SMD". Esto plantea un problema adicional: El elevado flujo de corriente que atraviesa los conmutadores semiconductores produce un calentamiento tan fuerte, que es necesario evacuar el calor de los conmutadores semiconductores mediante sistemas de refrigeración especiales. Dado que también los conmutadores semiconductores están realizados como componentes que se pueden montar sobre una superficie, no es posible, como se hacía antes frecuentemente, sencillamente atornillarlos a un cuerpo de refrigeración. Primero es necesario transportar el calor a través de la placa de circuitos impresos, que es mala conductora del calor, antes de poderlo introducir en un cuerpo de refrigeración. La evacuación del calor del conmutador semiconductor y su introducción en un cuerpo de refrigeración con frecuencia se ve dificultada porque, en muchos casos, es necesario un aislamiento eléctrico (separación de potenciales) entre el conmutador semiconductor y el cuerpo de refrigeración, y dicho aislamiento empeora el transporte de calor del conmutador semiconductor al cuerpo de refrigeración.

El documento EP 1 395 098 A1 da a conocer una solución al problema de evacuación del calor. El problema de la entrada y salida de corriente eléctrica se resuelve mediante una barra conductora maciza, atornillada a la placa de circuitos impresos, y muelles de contacto unidos con soldadura a la placa de circuitos impresos. La evacuación del calor se realiza, independientemente de la alimentación de corriente eléctrica, mediante elementos termoconductores, encajados a presión en la placa de circuitos impresos, sobre los que están soldados los conmutadores semiconductores, y mediante cuerpos de refrigeración unidos a los elementos termoconductores.

Las desventajas de esta solución son el gran número de componentes distintos y las diferentes etapas de fabricación necesarias, que conllevan elevados costes de materiales y de fabricación. Además, es difícil asegurar un aislamiento eléctrico fiable entre el cuerpo de refrigeración y el elemento termoconductor que está directamente unido al conmutador semiconductor.

Básicamente, el problema de la alimentación de corriente eléctrica a los conmutadores semiconductores y la evacuación del calor de los conmutadores semiconductores se puede resolver soldando los conmutadores semiconductores a un fleje de chapa maciza de un material buen conductor de la electricidad y del calor (por ejemplo, de cobre). Por otra parte, el fleje de chapa se puede conformar mediante punzonado o troquelado para conseguir una buena cesión de calor al entorno. Al mismo tiempo, se puede configurar el fleje de chapa, por ejemplo, encajando a presión un perno de conexión, de forma que sea sencillo conectar a la alimentación de corriente un cable con una sección metálica elevada adecuada atornillando o enchufando dicho cable. También con esta solución es muy difícil asegurar un aislamiento eléctrico fiable entre el fleje de chapa, que está en conexión eléctrica directa con el conmutador semiconductor, y el entorno del mismo.

Resumen de la invención

Por ello, el objeto de la presente inversión es dar a conocer una solución sencilla y económica para la alimentación de corriente eléctrica a los conmutadores semiconductores montados sobre una placa de circuitos impresos, y para la evacuación del calor de los conmutadores semiconductores. Otro objeto de la presente invención es dar a conocer un correspondiente procedimiento de fabricación

Esto se consigue mediante las características de las reivindicaciones independientes. Formas de realización preferentes son objeto de las reivindicaciones dependientes.

El planteamiento especial de la presente invención es utilizar para la alimentación de corriente eléctrica y la evacuación del calor una barra conductora que, mediante un elemento termoconductor, está en contacto tanto eléctrico como térmico con el conmutador semiconductor, de forma que el calor producido durante el funcionamiento se evacua a través de un cuerpo de refrigeración dispuesto sobre la barra conductora.

Según un primer aspecto de la presente invención, se da a conocer una unidad de control eléctrico. Este aparato de control comprende una placa de circuitos impresos y un elemento semiconductor de potencia sobre el lado superior de la placa de circuitos impresos, un elemento termoconductor que, a través de una abertura en la placa de circuitos impresos, está en contacto térmico con el elemento semiconductor de potencia, un cuerpo de refrigeración dispuesto sobre el lado inferior de la placa de circuitos impresos destinado a evacuar el calor producido durante el funcionamiento del elemento semiconductor de potencia, una barra conductora en contacto térmico y eléctrico con el elemento termoconductor, dispuesta con contacto plano sobre el lado inferior de la placa de circuitos impresos, de modo que, para la entrada y salida de la corriente eléctrica del elemento semiconductor de potencia, el elemento termoconductor, a través de la abertura en la placa de circuitos impresos, está en contacto eléctrico con el elemento semiconductor de potencia, y el cuerpo de refrigeración está dispuesto sobre la barra conductora en contacto térmico con la misma.

Ventajosamente, el cuerpo de refrigeración y la barra conductora están eléctricamente aislados entre sí mediante una capa aislante termoconductora, preferentemente una película adhesiva o una capa adhesiva. De esta manera se puede aumentar notablemente la seguridad de funcionamiento de la unidad de control.

Ventajosamente, la barra conductora está constituida por un fleje de chapa plana básicamente rectangular. Gracias a ello, la unidad de control se puede fabricar de forma especialmente sencilla y económica.

Preferentemente, el elemento termoconductor y la barra conductora están realizados en forma de pieza única de embutición profunda a partir de una banda de chapa. Alternativamente, el elemento termoconductor puede estar...

1. Unidad de control eléctrico con: una placa de circuitos impresos (1) y un componente semiconductor de potencia (2) sobre el lado superior de la placa de circuitos impresos (1); un elemento termoconductor (3.1; 8), que está en contacto térmico con el componente semiconductor de potencia (2) mediante una abertura en la placa de circuitos impresos (1); un cuerpo de refrigeración (5) dispuesto sobre el lado inferior de la placa de circuitos impresos (1) destinado a disipar el calor producido durante el funcionamiento del componente semiconductor de potencia (2), caracterizado porque comprende: una barra conductora (3; 7) en contacto plano con el lado inferior de la placa de circuitos impresos (1), que está en contacto térmico y eléctrico con el elemento termoconductor (3.1; 8), de modo que el elemento termoconductor (3.1; 8), a través de la abertura de la placa de circuitos impresos, está en contacto eléctrico con el elemento semiconductor de potencia (2) para la entrada o salida de corriente eléctrica de la placa de circuitos impresos (1), y el cuerpo de refrigeración (5) está dispuesto sobre la barra conductora (3; 7), en contacto térmico con la misma.

2. Unidad de control eléctrico, según la reivindicación 1, en la que el cuerpo de refrigeración (5) y la barra conductora (3; 7) están eléctricamente aislados mediante una capa aislante (4) termoconductora.

3. Unidad de control eléctrico, según la reivindicación 2, en la que la capa aislante (4) termoconductora está realizada en forma de película adhesiva o capa adhesiva.

4. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la barra conductora (3; 7) está realizada en forma de un fleje de chapa plano, básicamente rectangular.

5. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el elemento termoconductor (3.1; 8) y la barra conductora (3; 7) están realizados en forma de pieza única de embutición profunda a partir de un fleje de chapa.

6. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el elemento termoconductor (3.1; 8) está constituido por una pieza de metal maciza básicamente cilíndrica.

7. Unidad de control eléctrico, según la reivindicación 6, en la que la barra conductora (3; 7) está constituida por un fleje de chapa plana dotado de un agujero punzonado, en el que se ha encajado a presión el elemento termoconductor (3.1; 8).

8. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el elemento termoconductor (3.1; 8) comprende un saliente (3.1) que se introduce en la abertura de la placa de circuitos impresos (1) de manera que el lado superior (3.2) del saliente está enrasado con el lado superior de la placa de circuitos impresos (1).

9. Unidad de control eléctrico, según la reivindicación 8, en la que el saliente (3.1) encaja con unión continua en la abertura de la placa de circuitos impresos (1).

10. Unidad de control eléctrico, según la reivindicación 8 ó 9, en la que el lado inferior (2.1) del elemento semiconductor de potencia (2) está en contacto térmico y eléctrico con el lado superior (3.2) del saliente (3.1).

11. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 8 a 10, en la que el lado inferior (2.1) del elemento semiconductor de potencia (2) está soldado al lado superior (3.2) del saliente (3.1).

12. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 8 a 11, en la que el lado inferior (2.1) del elemento semiconductor de potencia (2) está en contacto con el lado superior (3.2) del saliente (3.1) y con el lado superior de la placa de circuitos impresos (1).

13. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 12, en la que la barra conductora (3; 7) está dotada de una lengüeta enchufable (3.3) destinada a una conexión de enchufe de un cable para la entrada o salida de corriente eléctrica.

14. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 12, en la que la barra conductora (3; 7) está dotada de un perno roscado destinado a conectar un cable para la entrada o salida de corriente eléctrica.

15. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 12, en la que la barra conductora (3; 7) está dotada de una unión por engrapado destinada a conectar un cable para la entrada o salida de corriente eléctrica.

16. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 14, en la que la barra conductora (3; 7) comprende elementos de fijación (12) sobresalientes en altura, que están unidos con acoplamiento forzado a agujeros (13) de la placa de circuitos impresos (1).

17. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 16, con una segunda barra conductora (10) del mismo tipo, en la que una de las dos barras conductoras (3; 7, 10) sirve para la entrada de corriente eléctrica y la otra barra conductora (3; 7, 10) sirve para la salida de corriente eléctrica del elemento semiconductor de potencia (2).

18. Unidad de control eléctrico, según la reivindicación 17, en la que el cuerpo de refrigeración (5) está dispuesto sobre las dos barras conductoras (3; 7, 10) y está eléctricamente aislado mediante una capa aislante (4).

19. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 16, en la que el elemento semiconductor de potencia (2) está realizado en forma de dispositivo de montaje exterior (SMD).

20. Unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 19, en la que se han dispuesto sobre la placa de circuitos impresos (1) múltiples elementos semiconductores de potencia (2), cada uno de los cuales está conectado térmica y eléctricamente con la barra conductora (3; 7) a través de una correspondiente abertura de la placa de circuitos impresos (1).

21. Procedimiento de fabricación de una unidad de control eléctrico con un elemento semiconductor de potencia (2) sobre el lado superior de una placa de circuitos impresos (1), un elemento termoconductor (3.1; 8) que a través de una abertura de la placa de circuitos impresos (1) está en contacto térmico y eléctrico con el elemento semiconductor de potencia (2), una barra conductora (3; 7), en contacto plano con el lado inferior de la placa de circuitos impresos (1), que está en contacto térmico y eléctrico con el elemento termoconductor (3.1; 8), y un cuerpo de refrigeración (5) dispuesto sobre la barra conductora (3; 7) destinado a disipar el calor producido durante el funcionamiento del elemento semiconductor de potencia (2), que abarca las siguientes etapas: preparación de un subconjunto de componentes mediante la fijación mecánica provisional de la placa de circuitos impresos (1) sobre la barra conductora (3; 7), de modo que la barra conductora (3; 7) comprenda, como mínimo, un saliente que sobresale desde abajo, por una correspondiente abertura de la placa de circuitos impresos (1), de forma que el lado superior del saliente está enrasado con el lado superior de la placa de circuitos impresos (1); aplicación de pasta de soldadura sobre el lado superior del subconjunto de componentes; montaje del elemento semiconductor de potencia sobre el lado superior del subconjunto de componentes, de modo que el elemento semiconductor de potencia quede en contacto con el lado superior de la placa de circuitos impresos (1) y con el lado superior del saliente; y soldadura del elemento semiconductor de potencia con la placa de circuitos impresos (1) y con el saliente.

22. Procedimiento de fabricación, según la reivindicación 21, con la etapa adicional del montaje de un cuerpo de refrigeración sobre el lado inferior de la barra conductora (3; 7).

23. Procedimiento de fabricación, según la reivindicación 22, en el que el cuerpo de refrigeración está unido a la barra conductora (3; 7) mediante una capa aislante eléctrica termoconductora.

24. Procedimiento de fabricación, según la reivindicación 21 ó 22, en el que la barra conductora (3; 7) comprende un conector eléctrico que sobresale en un lado del subconjunto de componentes.

25. Procedimiento de fabricación, según una de las reivindicaciones 21 a 24, en el que la pasta de soldadura se aplica mediante serigrafía.

26. Procedimiento de fabricación, según una de las reivindicaciones 21 a 24, en el que el elemento semiconductor de potencia se suelda a la placa de circuitos impresos (1) y al saliente mediante soldadura por adición de metal en fusión.

27. Procedimiento de fabricación, según una de las reivindicaciones 21 a 26, en el que las etapas de aplicación de la pasta de soldadura, montaje de componentes y soldadura se realizan en una cadena de fabricación SMD estándar.

28. Procedimiento de fabricación, según una de las reivindicaciones 21 a 27, con la etapa adicional de preparación de los salientes de la barra conductora (3; 7) mediante embutición profunda de un fleje de chapa.

29. Procedimiento de fabricación, según una de las reivindicaciones 21 a 27, con la etapa adicional de la preparación de los salientes de la barra conductora (3; 7) mediante el encaje a presión de elementos termoconductores metálicos macizos en un fleje de chapa adecuadamente troquelada.

30. Procedimiento de fabricación, según una de las reivindicaciones 21 a 29, en el que se realiza la fijación mecánica provisional de la placa de circuitos impresos (1) sobre la barra conductora (3; 7) encajando a presión los salientes en las aberturas de la placa de circuitos impresos (1).

31. Procedimiento de fabricación, según una de las reivindicaciones 21 a 30, en el que la barra conductora (3; 7) comprende elementos de fijación (12) sobresalientes en altura, que están unidos por acoplamiento forzado en orificios (13) de la placa de circuitos impresos (1), de forma que la placa de circuitos impresos (1) queda unida sobre la barra conductora (3; 7) con una fijación mecánica provisional.

32. Procedimiento de fabricación, según una de las reivindicaciones 21 a 31, para la fabricación de una unidad de control eléctrico, según una de las reivindicaciones 1 a 20.