СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах, автономным инверторам тока и т.п.
Известен силовой полупроводниковый модуль [Патент на полезную модель № 184560, опубл. 30.10.2018], состоящий из основной керамической платы с двусторонней металлизацией, на поверхности которой сформированы контактные площадки с установленными на них полупроводниковыми кристаллами с межкомпонентными проволочными соединениями, имеющий положительный, отрицательный и общий внешние силовые выводы.
Данное техническое решение направлено на обеспечение возможности снижения паразитной индуктивности внешних силовых выводов и может быть использовано только в составе герметичных или защищённых от влаги и пыли устройств. Т.е. такой силовой модуль не может быть автономным и герметичным изделием.
Известна конструкция подмодуля полумостового силового полупроводникового модуля, содержащего электроизоляционную теплопроводящую подложку с токоведущим слоем, имеющим силовые полигоны, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие плечи полумоста и три силовых вывода [Патент РФ № 2656302, опубл. 04.06.2018].
Данная конструкция позволяет снизить выбросы напряжения на силовых полупроводниковых элементах подмодуля силового модуля, возникающие вследствие наличия паразитных индуктивностей в токовводах подмодуля и может быть использована, например, в составе силовых модулей, защищённых пластмассовым кожухом, заполненным гелем. Т.е. такие силовые полумосты не могут быть автономными и не являются герметичными изделиями.
Ближайшим аналогом является транзисторный модуль с полевым управлением, представленный на Фиг. 1 [Ивашко А.И., Корнеев С.В., Краснов Ф.Ф., Крымко М.М., Ледовских А.П., Максимов А.Н. Конструктивно-технологические особенности разработки транзисторного модуля с полевым управлением. Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: Материалы научно-технической конференции.- М.:ОАО «НПП «Пульсар», 2004, стр.250-251], в котором на фланце из псевдосплава молибден-медь припаяна высокотемпературным припоемПСр-72 керамическая плата из алюмонитридной керамики с полупроводниковыми и пассивными элементами модуля. По периметру платы припоем ПСр-72 припаян ободок из сплава 29НК для герметизации модуля. Для электрического контакта токопроводящих элементов модуля с выводами используются металлизированные переходные отверстия в плате.
Данная конструкция силового модуля отличается минимальными габаритами и весом, низким тепловым сопротивлением, возможностью коммутировать большие токи, но имеет серьёзные недостатки, приводящие к низкому выходу годных изделий и их надёжности при эксплуатации.
-6
-1
-7
-1
.
-6.
-1
.
-6.
-1
Основной причиной низкого выхода годных изделий и их надёжности является различие в термическом расширении используемых в конструкции материалов. Из-за существенных остаточных механических напряжений в деталях после сборки модуля пайкой фланец, плата и обечайка изгибаются, в плате появляются трещины. Коэффициенты линейного температурного расширения (ТКЛР) алюмонитридной керамики 3,8 х10 К при температуре 20-300°С, сплава 29НК 43-53 х10 К при температуре 20-100°С [Сидоров В.А. Алюмонитридная керамика в СВЧ транзисторах, Электронная техника, Серия 2, Полупроводниковые приборы, Выпуск 1 (220), 2008, стр.58-66], [Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, стр. 112]. У сплава МД-40 ТКЛР от (7,5-8,4)10К до (9,1-9,9)10К [ТУ Яе0.021.105].
Модули также повреждаются при их герметизации шовно-роликовой сваркой из-за термомеханического воздействия на керамическую плату, особенно на не опирающиеся на фланец участки платы, поскольку фланец не может быть выполнен по длине всей платы из-за контактных площадок на обратной стороне платы. Учитывая вышеприведенные причины выхода из строя модулей, можно ожидать ненадёжную их работоспособность в процессе эксплуатации при вибрации и ударах, при циклических изменениях температуры и т.п.
Техническим результатом полезной модели является существенное повышение выхода годных модулей в производстве и повышение их эксплуатационной надёжности.
Технический  результат, обеспечиваемый полезной моделью, достигается тем, что в силовом модуле, содержащем фланец из псевдосплава, коммутационную плату из керамики с высокой теплопроводностью с функциональными элементами модуля, ободок для герметизации корпуса шовно-роликовой сваркой из сплава 29НК или никеля, внешние выводы, припаянные к внешним контактным площадкам, которые соединены металлизированными переходными отверстиями в керамике с контактными площадками, находящимися во внутренней полости корпуса, ободок для герметизации размещён на ободке из псевдосплава, выполненном на фланце, образуя внутреннюю полость, в которой размещена коммутационная плата, на фланце также выполнены две прорези на противоположных сторонах для выхода из модуля выводов, причём ширина перемычки фланца между прорезями превышает ширину фланца, в местах прорезей с внешней стороны фланца высокотемпературным припоем вакуумноплотно припаяны платы из алюмооксидной керамики с переходными металлизированными отверстиями и контактными площадками для припайки внешних выводов и соединения с элементами коммутационной платы, коммутационная плата припаяна к фланцу эвтектическим сплавом германий-золото, функциональные элементы модуля припаяны к участкам металлизации коммутационной платы припоем с температурой плавления меньшей температуры плавления эвтектики германий-золото, например припоем ПСр-2,5, а межсоединения элементов коммутационной платы с внутренними контактными площадками платы из алюмооксидной керамики выполнены гибкими золотыми или алюминиевыми проводниками.
В разработанной конструкции силового модуля внешние выводы перенесены на платы из алюмооксидной керамики, хорошо согласованной по ТКЛР с псевдосплавом, что позволяет уменьшить размеры коммутационной платы, припаянной к фланцу не высокотемпературным припоем, а сплавом германий-золото при температуре, примерно, 400°С и, следовательно, существенно снизить напряжения, вызывающие изгиб конструкции из-за рассогласования по ТКЛР материалов платы и фланца. Ободок для герметизации модуля шовно-роликовой сваркой припаян не к плате, а к ободку фланца из псевдосплава, что повышает жёсткость конструкции, её сопротивление изгибу, а также исключает термомеханическое воздействие на коммутационную плату при герметизации модуля. В результате после сборки модуля пайкой какой-либо существенной деформации конструкции модуля не возникает. Функциональные элементы коммутационной платы припаяны припоем с температурой плавления меньшей температуры плавления эвтектики германий-золото, например, припоем ПСр-2,5. Элементы коммутационной платы могут быть соединены с контактными площадками платы из алюмооксидной керамики гибкими золотыми или алюминиевыми проводниками. Ширина перемычки фланца между прорезями должна превышать ширину фланца, что обеспечивает возможность вакуумноплотной припайки алюмооксидной платы.
На Фиг. 2 представлена соответствующая заявленному техническому решению конструкция силового модуля, где 1 – фланец с ободком, 2 – дополнительный ободок для герметизации модуля, 3 – крышка.
На Фиг. 3 изображён увеличенный фрагмент конструкции силового модуля, обозначенный буквой А на Фиг. 2, в котором на фланце 1 с ободком 2 для герметизации модуля размещена коммутационная плата 4 из AlN керамики с полупроводниковыми кристаллами и иными компонентами модуля. Выводы 11 модуля припаяны к внешним контактным площадкам 5 платы 6 из алюмооксидной керамики с ТКЛР близким к ТКЛР псевдосплава. Платы 6 припаяны с внешней стороны к фланцу 1, герметично перекрывая прорези во фланце. Переходные металлизированные отверстия 7, выполненные в плате 6, электрически соединяют выводы 11 с контактными площадками 8 внутренней стороны платы 6. Ободок 2 выполнен из материала, к которому может привариваться шовно-роликовой сваркой крышка корпуса из никеля, стали, ковара, и т.п., поскольку псевдосплав, из которого выполнен фланец, не может свариваться с крышкой. Габаритные размеры платы 4 из AlN керамики ограничены внутренними размерами ободка на фланце и размером площадки основания между прорезями. Плата 6 из алюмооксидной керамики и дополнительный ободок 2 припаяны к фланцу 1 вакуумноплотно высокотемпературным припоем на основе серебра, например ПСр72. Коммутационная плата 4 припаяна к фланцу сплавом германий-золото, а функциональные элементы модуля припаяны к участкам металлизации коммутационной платы припоем ПСр-2,5. Межсоединения элементов 9 коммутационной платы 4 с внутренними контактными площадками платы 6 из алюмооксидной керамики выполнены гибкими золотыми или алюминиевыми проводниками 10.
Фиг. 4 представляет собой вид заявляемого силового модуля снизу, обозначенный буквой Б на Фиг. 2, где 6 – плата из оксида алюминия, 12 – прорезь.
Были собраны 9 модулей, представляющих собой интеллектуальный силовой ключ (Фиг. 5), включающий в себя драйвер 13, датчик температур 14, МОП-транзистор 15, площадку для заземления 16 и другие элементы. После пайки в трёх модулях коммутационной платы высокотемпературным припоем Пср-72, во всех модулях неплоскостность опорной поверхности фланца была более 25 мкм, а на одной плате появились трещины. После испытаний на воздействие удара и термоциклирование трещины появились на второй плате. После пайки в трёх модулях коммутационной платы эвтектическим сплавом германий-золото, во всех модулях неплоскостность опорной поверхности фланца была не более 9 мкм. После испытаний на термоциклирование и воздействие удара появление трещин на платах не наблюдалось. Межсоединения элементов коммутационной платы с внутренними контактными площадками платы из алюмооксидной керамики выполнены гибкими алюминиевыми проводниками диаметром 0,4 мм.
Список литературы:
1. Ивашко А.И., Корнеев С.В., Краснов Ф.Ф., Крымко М.М., Ледовских А.П., Максимов А.Н. Конструктивно-технологические особенности разработки транзисторного модуля с полевым управлением. Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: Материалы научно-технической конференции. – М.: ОАО «НПП «Пульсар», 2004, стр.250-251.
2. Сидоров В.А. Алюмонитридная керамика в СВЧ транзисторах, Электронная техника, Серия 2, Полупроводниковые приборы, Выпуск 1 (220), 2008, стр.58-66.
3. Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, стр. 112.