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ES2308330T3 - Procedimiento para el aislamiento electrico de un sustrato para un modulo de potencia. - Google Patents

Procedimiento para el aislamiento electrico de un sustrato para un modulo de potencia. Download PDF

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ES2308330T3
ES2308330T3 ES05009075T ES05009075T ES2308330T3 ES 2308330 T3 ES2308330 T3 ES 2308330T3 ES 05009075 T ES05009075 T ES 05009075T ES 05009075 T ES05009075 T ES 05009075T ES 2308330 T3 ES2308330 T3 ES 2308330T3
Authority
ES
Spain
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substrate
insulating
power semiconductor
mass
insulating mass
Prior art date
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Active
Application number
ES05009075T
Other languages
English (en)
Inventor
Karlheinz Augustin
Christian Gobl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semikron GmbH and Co KG
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron GmbH and Co KG
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

Procedimiento para el aislamiento eléctrico interior de un sustrato (20) para un módulo semiconductor de potencia con una envolvente aislante (60) a modo de bastidor con tapa y con un sustrato aislante (20) que comprende, como mínimo, un circuito impreso (26) y, como mínimo, un componente semiconductor de potencia (30) dispuesto sobre el mismo que está conectado de forma adaptada al circuito, preferentemente, mediante conexiones de unión (32) a elementos de conexión (80), otros circuitos impresos (26) y/o elementos semiconductores de potencia (30), caracterizado por los siguientes pasos substanciales: - Formación del sustrato (20) con, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia (30) y las conexiones (32) adecuadas al circuito; - Recubrimiento del sustrato (20) con una masa aislante (70) dieléctrica y viscosa por medio de un procedimiento de colada; - Inducción del reticulado de la masa aislante (70); - Giro del sustrato (20) alrededor de un eje longitudinal (eje "x") para que la masa aislante (70) envuelva de forma cuidadoso las conexiones de unión (32) existentes y la masa aislante (70) sobrante pueda escurrirse; - Disposición del sustrato (20) en la caja (60) del módulo semiconductor de potencia.

Description

Procedimiento para el aislamiento eléctrico de un sustrato para un módulo de potencia.
La invención se refiere a un procedimiento para el aislamiento eléctrico interior de un sustrato para un módulo semiconductor de potencia. Módulos semiconductores de potencia de este tipo comprenden una caja de plástico aislante a modo de bastidor con una tapa y un sustrato aislante. Sobre el sustrato está dispuesto, como mínimo, un circuito impreso y, sobre éste, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia. Dicho elemento semiconductor de potencia está conectado con elementos de conexión, otros circuitos impresos y/o otros elementos semiconductores de potencia. El estado de la técnica de conexiones internas de este tipo está formado por conexiones de unión (soldaduras sin aporte).
El estado de la técnica del aislamiento interior de módulos semiconductores de potencia de este tipo está formado por una masa aislante dieléctrica que está realizada como masa de sellado sólida o masa de sellado blanda o como una combinación entre ambos. Debido a su composición química y el peligro que ello entraña para la salud, el masa de sellado sólida se utiliza cada vez menos. Como masa de sellado blanda se han impuesto diferentes variantes de caucho de silicona como estado de la técnica.
A menudo se utilizan variantes de caucho de silicona de dos componentes que se mezclan en un dispositivo adecuado sólo poco antes de proceder al rellenado del módulo semiconductor de potencia. El rellenado de módulos semiconductores de potencia y, por lo tanto, su aislamiento interior, se lleva a cabo hasta una altura de relleno que asegura el recubrimiento cuidadoso de todos los componentes relevantes a aislar.
Lo que resulta inconveniente en el mencionado aislamiento interior de módulos semiconductores de potencia, según el estado de la técnica, es la gran proporción de masa de sellado que no es necesaria para el aislamiento, sino que está dispuesta en el interior del módulo semiconductor de potencia sólo para conseguir un relleno homogéneo.
También se conocen otros métodos para el aislamiento eléctrico. Según la patente JP 61258436 se sumergen los hilos eléctricos a aislar del componente en la masa de sellado y, a continuación, se reparte la masa de sellado a lo largo de los hilos invirtiendo el componente (véase resumen).
De acuerdo con la patente EP 0 214 621 se aplica la masa de sellado y, a continuación, se invierte el componente para dejar que la masa sobrante se escurra (véase columna 3, líneas 31-55). Según la patente DE 40 40 822, una vez aplicada la masa de sellado, se gira el componente alrededor del eje "z" (procedimiento "spin-on"). De esta manera, la masa de sellado queda repartida homogéneamente y parcialmente proyectada hacia fuera (véase resumen).
La presente invención tiene como objetivo dar a conocer un procedimiento para el aislamiento eléctrico interior de un sustrato para un módulo semiconductor de potencia que, manteniendo las mismas propiedades eléctricas, reduce la cantidad de masa aislante utilizada, como mínimo, a la mitad.
Este problema se resuelve mediante una disposición, según la reivindicación 1, y realizaciones especiales se encuentran en las reivindicaciones dependientes. La idea fundamental de la invención se basa en un módulo semiconductor de potencia destinado a ser montado directamente sobre un cuerpo de refrigeración, presentando el módulo semiconductor de potencia una caja de plástico aislante a modo de bastidor. Esta caja de plástico presenta, asimismo, una tapa unida con la caja preferentemente formando una sola pieza con la misma. La segunda superficie de recubrimiento está formada por un sustrato que consta de una capa aislante y, como mínimo, una capa metálica dispuesta sobre ésta y que está dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia. Esta capa metálica puede tener una estructura interna y constituye como mínimo un circuito impreso del módulo semiconductor de potencia. Sobre este circuito impreso está dispuesto, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia que está conectado de forma adecuada para el circuito con, como mínimo, un elemento de conexión que conduce hacia fuera, otro circuito impreso y/u otro elemento semiconductor de potencia.
La primera realización del procedimiento, según la invención, presenta los siguientes pasos:
- Formación del sustrato. A tal efecto, se dispone preferentemente mediante soldadura, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia sobre un circuito impreso. A continuación, se establecen las conexiones adecuadas al circuito entre el elemento semiconductor de potencia, los elementos de conexión, otros circuitos impresos y/u otros elementos semiconductores de potencia. Estas conexiones se realizan preferentemente mediante uniones de unión de hilo o cinta.
- Recubrimiento del sustrato con una masa aislante dieléctrica y viscosa. Para ello, han resultado ser ventajosos los procedimientos de colada, dado que en este caso la masa aislante también rellena de forma cuidadoso, por ejemplo, las zonas que están recubiertas por los hilos de conexión. Para acelerar el procedimiento de colada, éste puede ser asistido por presión.
- Inducción del reticulado de la masa aislante. De forma ventajosa, según el procedimiento de la invención, se utilizan masas aislantes cuya reticulación es inducida por la acción de luz ultravioleta o por temperatura. Una reticulación completa de la masa aislante ha de ser evitada en este momento del procedimiento.
- Giro del sustrato alrededor de su eje longitudinal (eje "x"). De esta manera puede escurrir la masa aislante sobrante y las conexiones de unión existentes quedan envueltas de forma cuidadoso por la masa aislante. En el transcurso de este proceso de escurrido y recubrimiento la masa aislante sigue reticulando. Durante esta fase del procedimiento, una reticulación completa es posible, sin embargo, es preferente que durante esta fase del procedimiento la reticulación todavía no sea completa.
- Disposición del sustrato en la caja del módulo semiconductor de potencia. Si la masa aislante todavía no ha reticulado por completo, ésta actuará ventajosamente como sustancia adhesiva que establece una unión adhesiva entre la caja y el sustrato.
El procedimiento de colada resultará muy ventajoso, cuando es asistido por presión y/o cuando se aplica un procedimiento de colada centrífuga, según el estado de la técnica, ya que en este caso la masa aislante quedará repartida rápida y homogéneamente sobre el sustrato.
La segunda realización del procedimiento, según la invención, presenta los siguientes pasos substanciales:
- Formación del sustrato, según la primera realización.
- Inmersión del sustrato con el lado dotado de, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia en la masa aislante dieléctrica. De esta forma, la masa aislante penetra en todos los intersticios como los que se hallan, por ejemplo, por debajo de las conexiones de unión. Mientras se saca el sustrato de la masa y durante un tiempo de espera adicional opcional, la masa aislante sobrante puede escurrirse, quedando en especial también las conexiones de unión existentes envueltas de masa aislante.
- Inducción del reticulado de la masa aislante, según la primera realización. Con respecto al paso anterior, se mantiene la posición del sustrato con el lado dotado del elemento semiconductor hacia abajo. De esta manera se asegura que se consigue un recubrimiento suficiente de las conexiones de unión. Análogamente a la primera realización, en esta fase del procedimiento resulta preferente que la reticulación no sea todavía completa.
- Escurrido de masa aislante sobrante y recubrimiento cuidadoso de las conexiones de unión existentes con masa aislante de forma análoga a la primera realización.
- Disposición del sustrato en la caja del módulo semiconductor de potencia, según la primera realización.
Lo que resulta ventajoso en ambas realizaciones del procedimiento, según la invención, es que todas las partes a aislar del módulo semiconductor de potencia, en especial también las conexiones de unión, queden suficientemente bañadas y recubiertas con la masa aislante dieléctrica.
Asimismo resulta ventajoso en ambas realizaciones del procedimiento, según la invención, que durante el escurrido el sustrato sea puesto temporalmente en rotación alrededor de su eje vertical (dirección "z") para acelerar, de esta manera, el escurrido.
Asimismo, resulta ventajoso aplicar un vacío al sustrato durante la fase del escurrido, dado que de esta manera las inclusiones de gas existentes eventualmente en la masa aislante serán eliminadas de forma eficaz.
A continuación, se explicará la invención más detalladamente en relación con las figuras 1 y 2.
En la figura 1 se muestra un corte a través de un módulo semiconductor de potencia, según el estado de la técnica.
En la figura 2 se muestra un módulo semiconductor de potencia con un aislamiento interior realizado de acuerdo con la invención.
En la figura 1 se muestra un corte a través de un módulo semiconductor de potencia, según el estado de la técnica. Se muestran un cuerpo de refrigeración (10), un sustrato (20) del módulo semiconductor de potencia dispuesto sobre el mismo, así como una caja (60) que enmarca y recubre éste.
El sustrato (20) se compone de un cuerpo de material aislante (24), preferentemente, de una cerámica industrial como el óxido de aluminio o el nitrito de aluminio, así como de capas metálicas (22, 26) dispuestas a ambos lados de este cuerpo aislante. Las capas metálicas están aplicadas sobre el cuerpo de material aislante (24) por medio del conocido procedimiento DCB. Preferentemente, la capa metálica (26) dirigida hacia el interior de la caja (60) presenta una estructura interna y constituye, por lo tanto, circuitos impresos aislados uno del otro. Estos circuitos impresos presentan elementos semiconductores de potencia (30) como diodos, tiristores, transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) y/o MOSFETs y componentes de sensor (50) que están dispuestos sobre los mismos mediante uniones de soldadura blanda. Otras conexiones adecuadas al circuito de los elementos semiconductores de potencia (30) con otros circuitos impresos (26) se realizan mediante uniones de unión de hilo (32).
Los elementos de unión para la conexión eléctrica de los circuitos impresos (26) del sustrato (20) con líneas de alimentación externas están formados por resortes de contacto (70).
El aislamiento interior del módulo semiconductor de potencia está formado por un caucho de silicona (70) que rellena el interior del módulo semiconductor de potencia hasta aproximadamente media altura. La superficie (72) del caucho de silicona que está dirigida en alejamiento del sustrato (20) constituye, por lo tanto, una superficie plana.
En la figura 2 se muestra un módulo semiconductor de potencia con un aislamiento interior realizado según la invención. El cuerpo de refrigeración (10) y el sustrato (20) con los elementos semiconductores de potencia (30), así como sus conexiones adecuadas al circuito están realizados igual que en la figura 1.
La masa aislante (70) se ha aplicado sobre el sustrato (20) de acuerdo con una de las dos realizaciones del procedimiento de la invención. La masa aislante (70) ha sido aplicada hasta el borde del sustrato (20) y no había reticulado todavía completamente antes de colocar el sustrato (20) en la caja (60). La caja (60) está realizada de tal manera que con esta disposición entre sí queda un hueco (62) a lo largo de una parte del ancho de la caja. Tras su endurecimiento completo, la masa aislante (70) dispuesta en este hueco (62) actúa, en este caso, como unión adhesiva entre la caja (60) y el sustrato (20).
La masa aislante (70) aplicada mediante el procedimiento de la invención presenta una superficie (74) que se adapta al contorno del sustrato (20) con los elementos semiconductores de potencia (30) y las conexiones de unión (32) dispuestas sobre el mismo. Debido al procedimiento de la invención y una viscosidad de la masa aislante (70) adaptada para ello entre 400 y 1400 mPas, todas las superficies del sustrato (20), todos los elementos semiconductores de potencia (30) así como, sobre todo, todas las conexiones de unión (32) quedan suficientemente recubiertas para su aislamiento eléctrico.
Asimismo, la masa aislante (70) presenta los siguientes parámetros: una resistencia de paso específica de más de 10^{15} ohm y una constante dieléctrica entre 2,5 y 3.
Es evidente que, mediante el procedimiento de la invención para la formación de un aislamiento interior del sustrato de un módulo semiconductor de potencia, la cantidad de masa aislante (70) utilizada pudo ser reducida en más de la mitad sin modificar las propiedades eléctricas.

Claims (8)

1. Procedimiento para el aislamiento eléctrico interior de un sustrato (20) para un módulo semiconductor de potencia con una envolvente aislante (60) a modo de bastidor con tapa y con un sustrato aislante (20) que comprende, como mínimo, un circuito impreso (26) y, como mínimo, un componente semiconductor de potencia (30) dispuesto sobre el mismo que está conectado de forma adaptada al circuito, preferentemente, mediante conexiones de unión (32) a elementos de conexión (80), otros circuitos impresos (26) y/o elementos semiconductores de potencia (30), caracterizado por los siguientes pasos substanciales:
- Formación del sustrato (20) con, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia (30) y las conexiones (32) adecuadas al circuito;
- Recubrimiento del sustrato (20) con una masa aislante (70) dieléctrica y viscosa por medio de un procedimiento de colada;
- Inducción del reticulado de la masa aislante (70);
- Giro del sustrato (20) alrededor de un eje longitudinal (eje "x") para que la masa aislante (70) envuelva de forma cuidadoso las conexiones de unión (32) existentes y la masa aislante (70) sobrante pueda escurrirse;
- Disposición del sustrato (20) en la caja (60) del módulo semiconductor de potencia.
2. Procedimiento para el aislamiento eléctrico interior de un sustrato (20) para un módulo semiconductor de potencia con una envolvente aislante (60) a modo de bastidor con tapa y con un sustrato (20) aislante que comprende, como mínimo, un circuito impreso (26) y, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia (30) dispuesto sobre el mismo que está conectado de forma adecuada al circuito, preferentemente, mediante conexiones de unión (32) con elementos de conexión (80), otros circuitos impresos (26) y/o elementos semiconductores de potencia (30), caracterizado por los siguientes pasos substanciales:
- Formación del sustrato (20) con, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia (30) y las conexiones (32) adecuadas al circuito;
- Inmersión del sustrato (20) con el lado dotado de, como mínimo, un elemento semiconductor de potencia (30) en una masa aislante (70) dieléctrica y viscosa;
- Inducción del reticulado de la masa aislante (70);
- Recubrimiento cuidadoso de las conexiones de unión (32) existentes con la masa aislante (70) y escurrido de la masa aislante (70) sobrante;
- Disposición del sustrato (20) en la caja (60) del módulo semiconductor de potencia.
3. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el sustrato (20) es puesto temporalmente en rotación alrededor de su eje vertical (eje "z") acelerando, de esta manera, el escurrido.
4. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que la reticulación de la masa aislante adecuada (70) es inducida por la acción de una luz ultravioleta.
5. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que la reticulación de la masa aislante adecuada (70) es inducida por la aplicación de calor.
6. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que los respectivos pasos de escurrido se realizan bajo aplicación de un vacío.
7. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que la masa aislante (70) presenta una resistencia de paso específica de más de 10^{15} ohm, una viscosidad de entre 400 y 1400 mPas y una constante dieléctrica entre 2,5 y 3.
8. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el recubrimiento del sustrato (20) con la masa aislante dieléctrica (70) se realiza mediante un procedimiento de colada centrífuga asistida por presión.
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