Configuración con al menos un componente semiconductor, en particular un componente semiconductor de potencia para el control de la potencia de corrientes de alta intensidad.
Configuración con al menos un primer y un segundo componente semiconductor (8;
101-1, 101-2, 101-3), que enparticular son componentes semiconductores de potencia para el control de la potencia de corrientes de elevadaintensidad, en la que
- el componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3), de los que al menos hay uno, presenta en cada casoal menos dos superficies de conexión eléctrica dispuestas separadas entre sí y está dispuesto sobre uncuerpo de substrato común (1) eléctricamente aislado del mismo,
- sobre el cuerpo de substrato (1) están fijadas, además del componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3), de los que al menos hay uno, y aisladas eléctricamente de este componente semiconductor (8; 101-1,101-2, 101-3), de los que al menos hay uno, una primera y una segunda barra conductora (12, 13) y
- una superficie de conexión eléctrica del componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3), de los que almenos hay uno, está unida eléctricamente con la primera barra conductora (12, 13) y otra superficie deconexión eléctrica de este componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3) está unida eléctricamentecon la segunda barra conductora (12, 13),
tal que
- la primera y/o la segunda barra conductora (12, 13) presentan segmentos dispuestos en lados opuestos deeste componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3), sometiéndose a una corriente la superficie deconexión de ambos segmentos conectada eléctricamente con la correspondiente barra conductora (12, 13),caracterizada porque el primer y el segundo componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3) estánconectados en la configuración formando un semipuente,
tal que
- una superficie de conexión eléctrica del primer componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3) estáunida eléctricamente con la primera barra conductora (12, 13), asociada a un polo eléctrico,
- una superficie de conexión eléctrica del segundo componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3) estáunida eléctricamente con la segunda barra conductora (12, 13), asociada al otro polo eléctrico opuesto alprimer polo eléctrico, y
- la otra superficie de conexión eléctrica del primer componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3) y laotra superficie de conexión eléctrica del segundo componente semiconductor (8; 101-1, 101-2, 101-3) estánunidas eléctricamente mediante una banda de unión (30) con una tercera barra conductora (29).
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2008/059968.
Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.
Nacionalidad solicitante: Alemania.
Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2 80333 MUNCHEN ALEMANIA.
Inventor/es: SELIGER, NORBERT, SCHIMETTA,GERNOT.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L25/07 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 25/00 Conjuntos consistentes en una pluralidad de dispositivos semiconductores o de otros dispositivos de estado sólido (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00; módulos fotovoltaicos o conjuntos de células fotovoltaicas H01L 31/042). › siendo los dispositivos de un tipo previsto en el grupo H01L 29/00.
PDF original: ES-2392206_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Configuración con al menos un componente semiconductor, en particular un componente semiconductor de potencia para el control de la potencia de corrientes de alta intensidad
La invención se refiere a una configuración con al menos un primer y un segundo componente semiconductor, que en particular son los componentes semiconductores de potencia para el control de la potencia de corrientes de alta intensidad. En la misma presenta el componente semiconductor, de los que al menos hay uno, al menos dos superficies de conexión eléctrica dispuestas separadas entre sí y está dispuesto sobre un cuerpo de substrato común eléctricamente aislado del mismo. Sobre el cuerpo de substrato están fijadas, además del componente semiconductor, de los que al menos hay uno, y aisladas eléctricamente del componente semiconductor, de los que al menos hay uno, una primera y una segunda barra conductora. Una superficie de conexión eléctrica del componente semiconductor, de los que al menos hay uno, está unida eléctricamente con la primera barra conductora. Otra superficie de conexión eléctrica de este componente semiconductor está unida eléctricamente con la segunda barra conductora.
Tales configuraciones se describen en el documento WO 03 032390 A1, en el documento US 5313091, en el documento US 5504378 y en el documento EP 1643625. Una configuración del tipo descrito se utiliza por ejemplo para accionamientos eléctricos con potencias en la gama de 10 kW hasta 300 kW. Las configuraciones, los llamados módulos de potencia controlados, funcionan bajo condiciones de servicio muy exigentes en cuanto a vibración, temperatura y humedad, debiendo quedar garantizada la máxima fiabilidad posible. Mediante la configuración se ondula la tensión continua de un acumulador o condensador con pérdidas reducidas formando una tensión alterna, se rectifican tensiones alternas para cargar acumuladores de energía o se transforman tensiones llevándolas a otro nivel de tensión.
Las configuraciones con uno o varios componentes semiconductores, en particular para el control de la potencia de corrientes de alta intensidad, están constituidas usualmente de forma modular. Los componentes semiconductores están montados sobre configuraciones de soporte (substratos) , la mayoría de las veces en forma de placas cerámicas metalizadas, aislados eléctricamente. Estos módulos de chip están fijados sobre un cuerpo de substrato en forma de una placa de base, que a menudo puede refrigerarse. Las entradas de corriente a los componentes semiconductores se conducen por lo general mediante puentes de hilos metálicos (los llamados hilos metálicos bondeados o de conexión eléctrica metálica) desde los substratos a pines o conductores de conexión en un bastidor de carcasa en definitiva hasta la cara superior de la carcasa del módulo. La alimentación eléctrica se realiza entonces por encima de la carcasa mediante un embarrado o platina. Así no se necesita sobre el cuerpo de substrato espacio alguno para un embarrado eléctrico, con lo que puede mantenerse reducido el espacio constructivo de la configuración. Un inconveniente es aquí que las piezas para la conexión eléctrica se encuentran en parte muy por encima del cuerpo de substrato, con lo que las mismas oscilan fuertemente cuando hay vibraciones y puede fatigarse muy rápidamente la unión con el substrato o bien presenta la línea de acometida eléctrica una inductividad relativamente alta. Además no es óptima la unión térmica del embarrado.
Durante el funcionamiento de la configuración se presentan, debido a las pérdidas eléctricas de paso de la corriente y de conexión, fuertes calentamientos de los componentes semiconductores y de las uniones eléctricas, dado el caso adicionalmente a las elevadas temperaturas del entorno de por ejemplo 150 ºC. Debido a la elevada potencia térmica de pérdidas, es necesaria por lo general una refrigeración activa, ofrecida por ejemplo por un circuito de agua de refrigeración contiguo a la configuración. Cuando se utiliza la configuración en un vehículo híbrido para refrigerar una parte de potencia, se utiliza usualmente por razón de costes el circuito de refrigeración del motor de combustión, con lo que la temperatura de la superficie del refrigerador frente a la que se produce el enfriamiento puede ser de hasta 125 ºC. Para un funcionamiento seguro, deben presentar los componentes semiconductores de potencia en las transiciones activas de los semiconductores solamente temperaturas de hasta 175 ºC (= TJunction) .
Las condiciones básicas y de utilización descritas formulan por lo tanto elevadas exigencias a la técnica de montaje y unión de la configuración. Típicamente se originan fallos eléctricos del módulo - además del fallo de los componentes semiconductores - sobre todo debido a sobrecalentamientos locales y fatigas por causas termomecánicas de los puentes de hilo metálico, en particular en las transiciones entre el puente de hilo metálico y el componente semiconductor, el puente de hilo metálico y la superficie del substrato, así como el puente de hilo metálico y la conexión de carga.
Para evitar fallos eléctricos de la configuración se aprovechan a menudo sólo parcialmente las potencias de conexión posibles de los componentes semiconductores. Pero debido al suplemento de seguridad necesario en el diseño eléctrico para una potencia nominal predeterminada, tales configuraciones son costosas, voluminosas y correspondientemente pesadas. Y esto es precisamente un inconveniente cuando se trata de aplicaciones móviles.
Es por lo tanto tarea de la presente invención indicar una configuración con componentes semiconductores, en particular componentes semiconductores de potencia para el control de potencia de corrientes de elevada
intensidad, que pueda utilizarse de forma duradera en un entorno sometido a fuertes vibraciones y oscilaciones de temperatura.
Esta tarea se resuelve mediante una configuración con las características de la reivindicación 1. Ventajosas formas de ejecución se reflejan en las reivindicaciones dependientes.
Según la invención, en una configuración de tipo genérico presentan la primera y/o la segunda barra conductora segmentos dispuestos en lados opuestos del componente semiconductor, sometiéndose la superficie de conexión de ambos segmentos, unida eléctricamente a la correspondiente barra conductora, a una corriente eléctrica.
La configuración correspondiente a la invención presenta la ventaja de que las barras conductoras, al igual que los componentes semiconductores, pueden colocarse directamente sobre la superficie del cuerpo de substrato muy juntas una a otra, con lo que es posible una estructura compacta de la configuración y queda asegurada una buena unión térmica a un sistema de refrigeración. Además, previendo segmentos de la primera y/o segunda barra conductora en lados opuestos del componente semiconductor, es posible una conducción simétrica de la corriente (alimentación de corriente) respecto al componente semiconductor. De esta manera pueden evitarse puntos de máxima corriente y con ello problemas de sobrecalentamiento. La configuración correspondiente a la invención posibilita así ventajosamente aprovechar mejor la potencia de conexión de los componentes semiconductores que lo que era posible según el estado de la técnica.
Según la configuración mejorada correspondiente a la invención, los segmentos de la primera y/o segunda barra conductora son brazos de la correspondiente barra conductora, que están unidos con una culata de la correspondiente barra conductora con forma de U. El componente semiconductor está dispuesto en esta forma constructiva en el interior de la barra conductora que discurre en forma de U, con lo que se favorece la alimentación de corriente simétrica. De manera conveniente están configurados los brazos y la culata formando una sola pieza.
Según la configuración está prevista una tercera barra conductora aislada sobre el cuerpo de substrato y dispuesta por tramos entre los segmentos dispuestos enfrentados al componente semiconductor de la primera y/o segunda barra conductora. La tercera barra conductora constituye por ejemplo una salida eléctrica de la configuración. La tercera barra conductora, dispuesta preferiblemente simétrica respecto a los segmentos/brazos de la primera y/o segunda barra conductora, favorece el flujo simétrico de la corriente a través de toda la configuración. De esta manera se evitan, tal como ya se indicado, puntos de máxima corriente y con ello puntos calientes (hot-spots)... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Configuración con al menos un primer y un segundo componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , que en particular son componentes semiconductores de potencia para el control de la potencia de corrientes de elevada intensidad, en la que -el componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , de los que al menos hay uno, presenta en cada caso al menos dos superficies de conexión eléctrica dispuestas separadas entre sí y está dispuesto sobre un cuerpo de substrato común (1) eléctricamente aislado del mismo, -sobre el cuerpo de substrato (1) están fijadas, además del componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2, 1013) , de los que al menos hay uno, y aisladas eléctricamente de este componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , de los que al menos hay uno, una primera y una segunda barra conductora (12, 13) y -una superficie de conexión eléctrica del componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , de los que al menos hay uno, está unida eléctricamente con la primera barra conductora (12, 13) y otra superficie de conexión eléctrica de este componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) está unida eléctricamente con la segunda barra conductora (12, 13) , tal que -la primera y/o la segunda barra conductora (12, 13) presentan segmentos dispuestos en lados opuestos de este componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , sometiéndose a una corriente la superficie de conexión de ambos segmentos conectada eléctricamente con la correspondiente barra conductora (12, 13) , caracterizada porque el primer y el segundo componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) están conectados en la configuración formando un semipuente, tal que -una superficie de conexión eléctrica del primer componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) está unida eléctricamente con la primera barra conductora (12, 13) , asociada a un polo eléctrico, -una superficie de conexión eléctrica del segundo componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) está unida eléctricamente con la segunda barra conductora (12, 13) , asociada al otro polo eléctrico opuesto al primer polo eléctrico, y
-
10. 1.
10. 2.
10. 3) y la otra superficie de conexión eléctrica del segundo componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) están unidas eléctricamente mediante una banda de unión (30) con una tercera barra conductora (29) .
2. Configuración según la reivindicación 1, en la que los segmentos de la primera y/o segunda barra conductora (12, 13) son brazos (14, 15; 17, 18) de la correspondiente barra conductora (12, 13) , que están unidos con una culata (16; 19) de la correspondiente barra conductora (12, 13) con forma de U.
3. Configuración según la reivindicación 2, en la que los brazos (14, 15; 17, 18) y la culata (16; 19) están configurados formando una sola pieza.
4.
10. 1.
10. 2.
10. 3) .
5.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , de los que al menos hay uno, mediante dos bandas de unión (20, 21; 22, 23) formadas por una o por varias partes a partir de en cada caso una chapa metálica doblada o plegada, que en cada caso está unida por uno de sus extremos mediante una unión por soldadura con uno de los segmentos opuestos de una de las barras conductoras (12, 13) .
6. Configuración según la reivindicación 5, en la que las dos bandas de unión (20, 21; 22, 23) están soldadas por su otro extremo en cada caso con una superficie intermedia de contacto (5, 7) aislada eléctricamente del cuerpo de substrato (1) con una estructura de pistas conductoras (26, 27) montada sobre la superficie de la configuración.
7.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , de los que al menos hay uno, mediante una estructura de pistas conductoras (26, 27) montada sobre la superficie de la configuración.
8. Configuración según la reivindicación 6 ó 7,
en la que la superficie intermedia de contacto (5, 7) está dispuesta entre uno de los segmentos de la primera y/o segunda barra conductora (12, 13) y el primer componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , de los que al menos hay uno.
9. Configuración según una de las reivindicaciones 6 a 8, en la que una de las superficies intermedias de contacto está configurada mediante una superficie de contacto, sobre la que está dispuesto, conduciendo eléctricamente, el primer componente semiconductor (8.
10. 1.
10. 2.
10. 3) , de los que al menos hay uno.
10. Configuración según una de las reivindicaciones 6 a 8, en la que una de las superficies intermedias de contacto está aislada eléctricamente de una superficie de contacto sobre la que está dispuesto, conduciendo eléctricamente, el primer componente semiconductor (8; 1011.
10. 2.
10. 3) , de los que al menos hay uno.
11. Configuración según una de las reivindicaciones 5 a 10, en la que las bandas de unión (20, 21; 22, 23) están formadas por un material que se corresponde con el material de las barras conductoras (12, 13) .
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