СИЛОВОЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована при проектировании силовых полупроводниковых модулей (далее - силовых модулей) различного назначения, с расширенным температурным диапазоном работы, использующих бескорпусные полупроводниковые силовые элементы, к которым предъявляются высокие требования по токовым нагрузкам и габаритам.
Наиболее распространенной причиной отказа силовых полупроводниковых элементов является вторичный пробой, который может развиваться в приборах даже при их эксплуатации с запасами по коммутируемому току, рабочему напряжению и средней величине рассеиваемой мощности. Основная причина снижения устойчивости силовых транзисторов к развитию вторичного пробоя - это наличие локальных участков с аномально высокой температурой («горячие пятна») и повышенное тепловое сопротивление перехода «кристалл-корпус», что приводит к перегреву кристалла и увеличению электрического сопротивления МОП-транзисторов.
Известны силовые транзисторы средней мощности [1, 2], в которых для компенсации больших внутренних напряжений, возникающих по причине неодинакового теплового расширения кремниевого кристалла транзистора и медного основания, в конструкциях корпусов между кремнием и основанием корпуса вводят термокомпенсатор. Для улучшения условий смачивания припоем термокомпенсаторы перед их монтажом покрывают слоем никеля или драгоценных металлов (золото, серебро) [3].
Известно использование в корпусах мощных транзисторов в качестве термокомпенсаторов молибденовых прокладок, которые обычно имеют размеры от 5×5 до 7×7 мм и толщину от 0,4 до 0,5 мм (Фирма Demetron источник информации).
Недостатком этих технических решений является небольшая площадь термокомпенсаторов для размещения термостатируемых кристаллов силовых элементов и отсутствие комплексной функции использования их в качестве электропроводящих выводов.
Известен силовой модуль [4], в котором силовые полупроводниковые приборы прикреплены к основанию модуля через высокотеплопроводящие пластины, выполненные из поликристаллического алмаза, которые являются изолирующим теплоотводом между силовыми полупроводниковыми приборами и основанием силового модуля.
Основным недостатком данного технического решения является высокая стоимость пластин поликристаллического алмаза, а также невозможность их использования в качестве электропроводящих выводов.
Известен силовой модуль (принятый за прототип) с расширенным температурным диапазоном работы силовых приборов поверхностного монтажа [5], в котором в качестве теплоотвода применены изогнутые медные пластины, содержащие как минимум три функциональных участка. Первые участки устанавливаются на базовой поверхности и могут использоваться как присоединительные выводы. На вторых участках установлена вторая сторона подложки, третьи участки припаяны к основаниям силовых приборов в качестве термокомпенсаторов.
Данное техническое решение не может быть применено для термостатирования бескорпусных полупроводниковых силовых элементов из-за несогласованности температурного коэффициента расширения (ТКР) медной пластины-теплоотвода, используемой в силовом модуле, с ТКР керамики.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и мощности силового модуля за счет повышения эффективности отвода тепла от бескорпусных полупроводниковых силовых элементов, снижения величины теплового сопротивления «кристалл-корпус» и уменьшения величины омического сопротивления «кристалл-вывод».
Для достижения указанного технического результата предложен силовой модуль, содержащий корпус, коммутационную плату с электрической схемой, бескорпусные силовые полупроводниковые элементы, перемычки и электропроводящие силовые выводы, выполненные в виде цельнометаллической пластины с большой площадью поверхности, у которых первые участки, расположенные внутри корпуса, закреплены на коммутационной плате и используются в качестве термокомпенсаторов, к поверхности которых припаяны кристаллы силовых элементов и электропроводящие перемычки, а вторые участки, выходящие за пределы корпуса, используются как присоединительные выводы.
-6
-1
Выводы выполнены из электропроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности, и значением ТКР, близким к значению ТКР кремния (от 4,6 до 5,6⋅10 К), на основе которого выполнены кристаллы силовых элементов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция силового полупроводникового модуля, на фиг. 2 представлен внешний вид образца силового полупроводникового модуля, где:
1 - входной электропроводящий силовой вывод,
2 - выходной электропроводящий силовой вывод,
3 - коммутационная плата с электрической схемой,
4 - бескорпусные силовые полупроводниковые элементы,
5 - электропроводящие перемычки,
6 - корпус.
Внешний вид образца силового полупроводникового модуля (показан со снятой крышкой) представленный на фиг. 2, содержит корпус, коммутационную плату, три электропроводящих силовых вывода и установленные на них бескорпусные силовые полупроводниковые элементы с электропроводящими перемычками.
Электропроводящие силовые выводы, фиг. 1 (входной 1 и выходной 2), крепятся на коммутационной плате 3 и являются основанием для установленных на них силовых полупроводниковых элементов 4 с электропроводящими перемычками 5, корпус 6 является теплоприемником.
Эффективность отвода тепла зависит не только от удельной теплопроводности материала выводов, но также от геометрии выводов - толщины и площади [6]. Геометрия пластины вывода обусловлена ее двойным назначением и может иметь форму плоского удлиненного параллелепипеда с максимально возможной площадью поверхности и минимальной толщиной, необходимой для обеспечения механической прочности, чтобы воспринимать с незначительной деформацией высокие напряжения, возникающие при нагреве и охлаждении. Вдоль поверхности вывода тепло переносится с помощью электрического тока, а через толщину пластины вывода переносится по механизму теплопроводности, при этом создается возможность теплообмена не только между соседними областями внутри корпуса силового модуля, но и снаружи.
Тепловое сопротивление «кристалл-корпус» минимизировано за счет монтажа силового модуля пайкой. Для получения прочного соединения пайкой поверхности выводов 1, 2 покрывают слоем никеля.
Омическое сопротивление «кристалл-вывод» между бескорпусным силовым полупроводниковым элементом и вторым участком вывода минимально, поскольку вывод выполнен в виде цельнометаллической пластины с большой площадью сечения.
Примером конкретного исполнения силовых модулей с применением предлагаемой полезной модели может служить образец силового модуля (фиг. 2), выполненный в негерметичном металлическом корпусе, предназначенный для коммутации электрических силовых цепей постоянного напряжения до 70 B и постоянного тока до 50 A (импульсного - до 330 A).
Образец конструктивно представляет собой металлический корпус с силовыми выводами из молибдено-медного псевдосплава МД40, обладающего высокой теплопроводностью (более 220 Вт/м⋅°C) и большой механической прочностью, толщиной 0,5 мм, шириной 9 мм, покрытыми никелем толщиной 6 мкм.
Силовые выводы установлены на подложку пайкой припоем ПСрОС 3,5-95. На силовые выводы установлены полевые транзисторы 2П835А-5 и диоды 2ДШ2125Д-5 на припой ПОС 61. Внутрисхемные соединения силовых транзисторов и диодов выполнены проволокой АОЦПоМ-200А диаметром 0,2 мм, не менее 8 перемычек на элемент, методом ультразвуковой сварки.
Материал активных элементов - кремний, двуокись кремния.
Омическое сопротивление «кристалл-вывод» в цепи транспортировки тока от входного вывода 1 к силовому элементу 4 и далее к выходному выводу 2 через перемычки 5, в открытом состоянии составляет не более 4 мОм, при токах от 25 до 50 А.
Типовое значение сопротивления открытого канала, полученное на изготовленных образцах, составляет 2,5 - 2,6 мОм.
Отверстия на концах силовых выводов используются для механического крепления силового модуля при его эксплуатации, а используемый для этого металлический крепеж может являться дополнительным теплоприемником.
Литература
1. Силовая электроника №2, 2009 г. Монтаж кристаллов IGBT силовых транзисторов В.Л. Ланин, Л.П. Ануфриев.
2. Ануфриев Л.П., Ланин В.Л., Солодуха В.А., Керенцев В.Ф. Монтаж кристаллов IGBT транзисторов / Материалы НПК «Современные информационные и электронные технологии», Одесса 21-23 мая 2007 г. /.
3. Ньюман П. Эффективность преобразования и совершенствование технологий силовых модулей // Компоненты и технологии 2008, №3.
4. Патент RU 160165 U1 (H01L 25/04 (2014.01).
5. Патент RU 2350055 C1 (H05K 1/18 (2006.01), H05K 7/20 (2006.01).
6. А.С. Гладков и др. Металлы и сплавы для электровакуумных приборов. «Энергия», Москва, 1969, стр. 508.