Un conjunto de elementos apilados que comprende:

al menos un dispositivo semiconductor (2a - 2d) intercalado entre disipadores de calor (20a - 20e) y adaptado para estar sumergido al menos parcialmente en un dieléctrico líquido;

incluyendo el al menos un dispositivo semiconductor (2a - 2d) un cuerpo u oblea semiconductor (4) y las placas de contacto eléctrico (6, 8), y

un medio de contacto por presión (100) para aplicar una fuerza de compresión por contacto sustancialmente a lo largo del eje del conjunto de elementos apilados para mantener el contacto térmico y eléctrico adecuado entre el al menos un dispositivo semiconductor (2a - 2d) y los disipadores de calor adyacentes (20a - 20e) y entre el cuerpo u oblea semiconductor (4) y las placas de contacto eléctrico;

que se caracteriza porque el al menos un dispositivo semiconductor (2a - 2d) tiene una construcción abierta y no está sellado herméticamente en una carcasa, de tal manera que cuando el al menos un dispositivo semiconductor está sumergido al menos parcialmente en el dieléctrico líquido, es inundado con el dieléctrico líquido para proporcionar un entorno dieléctrico.

Conjuntos de elementos apilados que contienen dispositivos semiconductores

Campo técnico

La presente invención se refiere a conjuntos de elementos apilados que contienen dispositivos semiconductores, y en particular, a conjuntos de elementos apilados que están diseñados específicamente para ser sumergidos en un dieléctrico líquido.

Técnica antecedente

El documento DE 2739520 describe un conjunto de elementos apilados en el que dispositivos semiconductores 1 se encuentran intercalados entre enfriadores 2 que operan funcionalmente como disipadores de calor. Los dispositivos semiconductores 1 y los enfriadores 2 se mantienen juntos como un conjunto de elementos apilados por medio de pernos 6, 7 que aplican una fuerza de compresión por contacto. Los enfriadores 2 tienen nervios radiales 17 que definen canales axiales o helicoidales a través de los cuales el aceite puede fluir. Los enfriadores 2 también proporcionan energía eléctrica a los dispositivos semiconductores 1 como se muestra esquemáticamente en la figura 3 del documento DE 2739520. El conjunto de elementos apilados se sumerge en un depósito lleno de aceite y está rodeada por una camisa aislante 23. Los dispositivos semiconductores individuales 1 tienen una construcción de paquete prensado convencional y están sellados herméticamente dentro de una carcasa.

Disposiciones similares se desvelan también en los documentos RU 2151448, JP 08-097338 y US 4010489.

El documento JP 2005-019849 desvela un aparato en el que una estructura de chips semiconductores montada en un substrato está directamente sumergida en un fluido aislante con fines de refrigeración.

Sumario de la invención

La presente invención está definida en la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas están definidas en las reivindicaciones dependientes.

El conjunto de elementos apilados comprende preferiblemente una pluralidad de dispositivos semiconductores, estando situado cada dispositivo semiconductor entre un par de disipadores de calor.

El conjunto de elementos apilados se pueden formar usando una amplia variedad de diferentes dispositivos semiconductores, aunque los dispositivos de obleas integrales (por ejemplo, tiristores, tiristores desactivables por puerta (GTO) , tiristores conmutados por puerta o tiristores controlados por puerta (TCG) y diodos) son los preferidos. Un único conjunto de elementos apilados puede contener cualquier combinación deseada de dispositivos semiconductores, dependiendo de que todos ellos sean adecuados para la misma fuerza de compresión por contacto que se utiliza para mantener los dispositivos semiconductores y disipadores de calor en compresión y se describe con más detalle a continuación.

Un dispositivo semiconductor típico incluirá una oblea o cuerpo semiconductor, metalización para contacto óhmico, un sistema de contacto por presión, capas de pasivación (por ejemplo, vítreo, poliamida, poliimida, caucho de silicona u otro material adecuado en configuraciones simples o de capas múltiples) y placas de contacto mecánico compensadas térmicamente.

En una construcción de paquete prensado convencional, el cuerpo semiconductor y las placas de contacto son presionados entre un par de piezas polares de cobre. Un ejemplo de una construcción de paquete prensado convencional se muestra en la Patente norteamericana 6441407. Más en particular, las figuras 2c y 3a de la Patente norteamericana 6441407 muestran una vista en perspectiva de un GTO 33 en el cual se encuentra dispuesto un cuerpo semiconductor 31 entre las placas de contacto 32 y está sellado herméticamente en una carcasa aislante 30. El cuerpo semiconductor 31 y las placas de contacto 32 son presionados entre las piezas polares de cobre 33 y 34.

El dispositivo semiconductor o cada uno de ellos tiene una construcción "abierta". Un conjunto de elementos apilados incluye al menos un dispositivo semiconductor que tiene una construcción "abierta" y puede incluir un dispositivo semiconductor que tiene una construcción de paquete prensado. Por lo tanto, una combinación de diferentes construcciones de dispositivos semiconductores es posible dentro del mismo conjunto de elementos apilados.

Se cree que los dispositivos semiconductores que tienen una construcción "abierta" se beneficiarán más de estar sumergidos en el dieléctrico líquido. Esto se debe a que cualesquiera espacios o huecos entre las diversas partes componentes del dispositivo semiconductor serán inundados con el dieléctrico líquido para proporcionar un entorno dieléctrico adecuado. Los materiales utilizados en el dispositivo semiconductor deben ser químicamente, estructuralmente y dieléctricamente compatibles con el dieléctrico líquido, de manera que ni el dispositivo semiconductor ni el dieléctrico líquido se degraden como resultado de su contacto. Se apreciará fácilmente que un dispositivo semiconductor de este tipo se diferencia de un paquete prensado de construcción convencional debido a que no está sellado herméticamente en una carcasa lo cual permite que todas las regiones del cuerpo semiconductor se encuentren rodeadas y permeadas por un gas dieléctrico presurizado moderadamente adecuado, por ejemplo nitrógeno seco. El dispositivo semiconductor también carece de las piezas polares de cobre que están asociadas con los dispositivos convencionales de semiconductores de paquete prensado. Las piezas polares de cobre son sustituidas de manera efectiva por los disipadores de calor. Las partes de envoltura convencional normalmente representan aproximadamente la mitad del coste total del dispositivo semiconductor de paquete prensado convencional. La falta de partes convencionales de la envoltura en un dispositivo semiconductor que tiene una construcción "abierta" proporciona, por lo tanto, beneficios significativos en costos.

La periferia del dispositivo semiconductor que tiene una construcción "abierta" se puede encapsular o sellar de otra manera para limitar la entrada de contaminantes, mientras se encuentra almacenado o cuando está montado dentro del conjunto de elementos apilados. Además, la encapsulación (por ejemplo, usando un caucho u otro anillo exterior deformable) también puede ser usada para proteger el dispositivo semiconductor contra impactos o choques durante la manipulación mecánica. Es importante señalar que el uso de tal encapsulación alrededor de la periferia del dispositivo semiconductor no resta valor a las ventajas de la construcción "abierta" que se ha descrito más arriba.

Una fuerza de compresión por contacto (fuerza de apriete) se aplica preferiblemente sustancialmente a lo largo del eje del conjunto de elementos apilados para asegurar un contacto térmico y eléctrico adecuado entre el, o cada, dispositivo semiconductor y los disipadores de calor adyacentes. La fuerza de compresión por contacto también asegura el contacto térmico y eléctrico adecuado entre las placas eléctricas del dispositivo semiconductor y la oblea

o cuerpo semiconductor. Las áreas de contacto de las dos caras del cuerpo semiconductor están metalizadas adecuadamente para facilitar contactos térmicos y eléctricos fiables, teniendo en consideración que las áreas de contacto respectivas son diferentes y por lo tanto experimentarán diferentes presiones por contacto. En el caso de los GTO que emplean una pluralidad de mesas emisoras elevadas individuales, es decir, agrupaciones de islas de contacto catódica elevadas cuyas áreas de contacto total es considerablemente menor que la del área de contacto del ánodo correspondiente, las presiones de contacto respectivas serán sustancialmente diferentes y la fuerza de compresión por contacto debe ser seleccionada en consecuencia.

El conjunto de elementos apilados se mantiene en compresión preferiblemente por medio de un sistema común de contacto por presión (sistema de apriete) . La fuerza de compresión por contacto será determinada con precisión y será aplicada sustancialmente constantemente por el sistema de presión por contacto sustancialmente a lo largo del eje del conjunto de elementos apilados. El sistema de contacto por presión es tal que las rugosidades o pequeños de salida sobre las superficies metálicas contiguas experimentan una deformación plástica, lo que incrementa el área de contacto intermetálico como se requiera para reducir la resistencia de contacto térmico y la resistencia de contacto eléctrico. En la práctica, la fuerza de compresión por contacto aplicada por el sistema de contacto por presión será de... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de elementos apilados que comprende:

al menos un dispositivo semiconductor (2a - 2d) intercalado entre disipadores de calor (20a - 20e) y adaptado para estar sumergido al menos parcialmente en un dieléctrico líquido; incluyendo el al menos un dispositivo semiconductor (2a - 2d) un cuerpo u oblea semiconductor (4) y las placas de contacto eléctrico (6, 8) , y

un medio de contacto por presión (100) para aplicar una fuerza de compresión por contacto sustancialmente a lo largo del eje del conjunto de elementos apilados para mantener el contacto térmico y eléctrico adecuado entre el al menos un dispositivo semiconductor (2a - 2d) y los disipadores de calor adyacentes (20a - 20e) y entre el cuerpo u oblea semiconductor (4) y las placas de contacto eléctrico;

que se caracteriza porque el al menos un dispositivo semiconductor (2a - 2d) tiene una construcción abierta y no está sellado herméticamente en una carcasa, de tal manera que cuando el al menos un dispositivo semiconductor está sumergido al menos parcialmente en el dieléctrico líquido, es inundado con el dieléctrico líquido para proporcionar un entorno dieléctrico.

2. Un conjunto de elementos apilados de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, una pluralidad de dispositivos semiconductores (2a - 2d) estando situado cada dispositivo semiconductor entre un par de disipadores de calor (20a - 20e) .

3. Un conjunto de elementos apilados de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende, además, un medio (28, 28a, 50) para aplicar una fuerza de alineación radial al conjunto de elementos apilados.

4. Un conjunto de elementos apilados de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que los disipadores de calor (20a - 20d) tienen una pluralidad de aletas de refrigeración radiales (26, 28) .

5. Un conjunto de elementos apilados de acuerdo con la reivindicación 4, en el que una o más las aletas de refrigeración radiales (28) están adaptadas para el montaje de componentes eléctricos auxiliares.

6. Una disposición en la que cual un conjunto de elementos apilados de acuerdo con cualquier reivindicación precedente está situado en una cámara que contiene un dieléctrico líquido, de manera que el conjunto de elementos apilados se encuentre sumergido al menos parcialmente en el dieléctrico líquido.

7. Una disposición de acuerdo con la reivindicación 6, en la que el dieléctrico líquido es estacionario.

8. Una disposición de acuerdo con la reivindicación 6, en la se hace circular al dieléctrico líquido más allá del conjunto de elementos apilados.

9. Una disposición de acuerdo con la reivindicación 8, en la que se hace circular al dieléctrico líquido más allá del conjunto de elementos apilados en una dirección que es sustancialmente paralela al eje del conjunto de elementos apilados.

10. Una disposición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en la que la cámara está definida por una carcasa estanca a los fluidos.

11. Una disposición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en la que una pluralidad de conjuntos de elementos apilados de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 se encuentra situada en la cámara de tal manera que los conjuntos de elementos apilados se encuentran sumergidos al menos parcialmente en el dieléctrico líquido.

12. Una disposición de acuerdo con la reivindicación 11, en la que al menos un dispositivo semiconductor de un conjunto de elementos apilados está conectado eléctricamente al menos a un dispositivo semiconductor de al menos un conjunto de elementos apilados diferentes.