КОРПУС БЕСПОТЕНЦИАЛЬНОГО СИЛОВОГО МОДУЛЯ
POTENTIAL-FREE POWER MODULE HOUSING

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах, полумостовым драйверам, автономным инверторам тока и т.п. Известна конструкция корпуса силового беспотенциального модуля, в котором металлокерамическая плата закреплена на основании. Модуль собран в пластмассовом корпусе и залит гелеобразным кремнийорганическим компаундом [Патент РФ на полезную модель №109919, 27.10. 2011].
Данное техническое решение может быть использовано только в составе силовых модулей, в которых силовые полумосты выполнены негерметичными и монтируются на металлическом основании, а пластмассовый кожух, заполненный гелем, защищает функциональные элементы модуля от пыли и влаги. Т.е. такие силовые полумосты не могут быть автономными и герметичными изделиями.
Известна конструкция корпуса силового модуля серии MiniSKiiP [Колпаков А. Миниатюрные модули IGBT MiniSKiiP: пружины вместо пайки /А. Колпаков // Новости электроники. – 2007. – №20. – с. 15]. Основой конструкции корпусов полумостов являются платы из алюмонитридной керамики. Платы прижаты к медному основанию и размещены в пластмассовом кожухе модуля, заполненном гелем, защищающим функциональные узлы модуля от пыли и влаги. На Фиг. 1 приведена конструкция силового модуля SEMiX, состоящая из полумостовых DBC-плат, базисной платы, медного основания, печатной платы, силовых выводов, пластмассовой рамки, пластмассового корпуса, пружинных контактов и промежуточных соединений.
Данное техническое решение может быть использовано только в составе силовых модулей, в которых силовые полумосты выполнены негерметичными и монтируются на металлическом основании, а пластмассовый кожух, заполненный гелем, защищает функциональные элементы модуля от пыли и влаги. Т.е. такие силовые полумосты не могут быть автономными и герметичными изделиями.
Ближайшим аналогом является металлокерамический корпус беспотенциального силового модуля, представленный на Фиг. 2а, 2б [Ивашко А.И., Крымко М.М. Металлокерамический корпус для силовых полупроводниковых модулей / А.И. Ивашко, М.М. Крымко // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. – 2017. – Выпуск №4 (247) – с. 61-67], в котором на фланце 1 из псевдосплава молибден-медь припаяна высокотемпературным припоем ПСр72 керамическая плата 2 из алюмонитридной керамики, являющаяся основанием корпуса. По периметру платы для герметизации корпуса припоем ПСр72 припаян ободок 3 из сплава 29НК (ковар). Для электрического контакта токопроводящих элементов модуля с выводами 4 используются металлизированные переходные отверстия в керамическом основании.
Данный металлокерамический корпус отличается минимальными габаритами и весом, низким тепловым сопротивлением, возможностью коммутировать большие токи, но при реализации были выявлены серьёзные недостатки его конструкции, приводящие к низкому выходу годных корпусов и их ненадёжности при эксплуатации.
.
-6.
-1
.
-6.
-1
Основной причиной низкого выхода годных корпусов и их надёжности является различие в термическом расширении используемых в конструкции материалов. Из-за существенных остаточных механических напряжений в деталях после сборки корпуса пайкой фланец, плата и обечайка изгибаются, в керамике появляются трещины. Коэффициенты линейного температурного расширения (ТКЛР) алюмонитридной керамики (AlN) и ковара представлены в таблице 1 [Сидоров В.А. Алюмонитридная керамика в СВЧ транзисторах / В.А. Сидоров // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. – 2008. – Выпуск №1(220) – с.58-67, Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия» – 1971 г. – с. 11]. У псевдосплава МД-40 ТКЛР в направлении прокатки (7,5-8,4)10К и поперёк прокатки (9,1-9,9)10К, согласно техническим условиям Яе0.021.105 ТУ.
2
Корпуса также повреждаются при герметизации шовно-роликовой сваркой собранных в них полумостов из-за усилия со стороны роликов на ободок, прикладываемого на не опирающиеся на фланец участки керамической платы, поскольку фланец не может быть выполнен по длине всей платы из-за контактных площадок на обратной стороне платы. Следует учесть, что при контактной шовной сварке на герметизируемый прибор воздействуют не только механические нагрузки. Шовно-роликовая сварка представляет собой комплексный термомеханический процесс, осуществляемый нагревом материалов большим электрическим током, проходящим через контакт свариваемых деталей и пластической деформацией сварного шва под усилием сжатия. Согласно закону Джоуля-Ленца Q=I*Rt создаётся нагрев свариваемых металлов до нескольких сот градусов. При этом возникающий термоудар приводит к возникновению механических напряжений в системе «керамика-ободок», что может привести к образованию трещин в керамике.
Учитывая вышеприведенные причины выхода из строя корпусов, можно ожидать их ненадёжную работоспособность в процессе эксплуатации собранных в них изделий при вибрации и ударах, при циклических изменениях температуры и т.п.
Техническим результатом изобретения является существенное повышение выхода годных корпусов в производстве и повышение их эксплуатационной надёжности.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в корпусе беспотенциального полумостового силового модуля, содержащем фланец из псевдосплава, к которому припаяна керамическая плата для монтажа функциональных элементов модуля, припаянный ободок для герметизации корпуса, внешние выводы припаяны к контактным площадкам соединённым с контактными площадками, находящимися во внутренней полости корпуса, через металлизированные переходные отверстия в керамике, на фланце размещено основание из псевдосплава с внешними размерами, соответствующими размерам ободка для герметизации корпуса, в основании выполнены две прорези на противоположных сторонах для выхода из корпуса выводов, причём ширина перемычки между прорезями превышает ширину фланца, в местах прорезей высокотемпературным припоем вакуумноплотно припаяны платы из алюмооксидной керамики с переходными металлизированными отверстиями, к контактным площадкам которых припаяны выводы, а ободок для герметизации корпуса и монтажная плата из высокотеплопроводной керамики припаяны к основанию.
В разработанной конструкции корпуса беспотенциального полумостового силового модуля за счёт того, что выводы корпуса перенесены на платы из алюмооксидной керамики, хорошо согласованной с псевдосплавом по тепловому расширению, коммутационная плата выполнена с существенно меньшими размерами и припаяна к основанию на фланце всей плоскостью, а ободок для герметизации корпуса шовно-роликовой сваркой припаян не к плате, а к буртику основания. В результате после сборки корпуса пайкой какой-либо существенной деформации конструкции не возникает даже при выполнении коммутационной платы из высокотеплопроводной алюмонитридной керамики с ТКЛР существенно меньшим ТКЛР псевдосплава. Кроме того, при герметизации прибора шовно-роликовой сваркой исключено термомеханическое воздействие на керамику.
Сущность заявленного технического решения поясняется на фигурах 3, 4, 5.
2
3
На Фиг. 3 представлена соответствующая заявленному техническому решению конструкция корпуса, в которой на фланце 1 из псевдосплава размещено основание 2 из псевдосплава.  На основании 2 размещена плата 3 из AlN керамики, предназначенная для размещения на ней полупроводниковых кристаллов и иных компонентов собираемого в корпусе модуля. Выводы 4 корпуса припаяны к внешним контактным площадкам плат 5 из алюмооксидной (AlO) керамики с ТКЛР близким к ТКЛР псевдосплава. Платы 5 припаяны с внешней стороны к основанию 2, герметично перекрывая прорези в основании. Переходные металлизированные отверстия, выполненные в плате 5, электрически соединяют выводы 4 с контактными площадками обратной стороны платы 5, расположенной внутри корпуса. На буртике основания 2 припаян ободок 6, выполненный из материала, к которому может привариваться шовно-роликовой сваркой крышка корпуса из никеля, стали, ковара и т.п., поскольку псевдосплав не может свариваться. Габаритные размеры платы 3 из AlN керамики ограничены внутренними размерами буртика на основании 2 с припаянным к нему ободком для герметизации корпуса и размером площадки основания между прорезями.
2
3
На Фиг. 4 показана плата из алюмооксидной (AlO) керамики. На плате со стороны внутренних контактных площадок 1 по периметру выполнена металлизация 1 со стороны внутренних контактных площадок 2, которая предназначена для герметичной припайки платы к основанию. Контактные площадки 1, расположенные внутри корпуса, электрически соединены переходными металлизированными отверстиями с внешними контактными площадками 3, предназначенными для присоединения выводов корпуса. Выводы герметично перекрывают отверстия по их площади.
2
3
На Фиг. 5 представлен фланец 1 с основанием 2. Ширина и длина прорезей в основании соответствует внутренним размерам металлизации платы из AlO керамики, предназначенной для герметичной припайки платы к основанию. Корпус собирается с помощью пайки припоем на основе серебра, например, ПСр72.
Были собраны по 40 корпусов с одинаковыми внешними размерами по конструкции аналога и соответствующих заявленному техническому решению.
После пайки припоем ПСр72 во всех корпусах-аналогах неплоскостность опорной поверхности фланца составляла 27-52 мкм, а на 17 корпусах появились на керамике трещины. После герметизации оставшихся корпусов шовно-роликовой сваркой на керамике 5-ти корпусов появились трещины. Проверка на гелиевом течеискателе ПТИ-10 показала герметичность 18 корпусов. После испытаний на термоциклирование и воздействие удара годными оказались только 11 корпусов.
38 из 40 собранных корпусов, соответствующих по конструкции заявленному техническому решению, прошли все этапы контроля и оказались годными и надёжными в условиях эксплуатации. 2 корпуса оказались не герметичными по пайке выводов, перекрывающих переходные отверстия. Максимальная неплоскостность опорной поверхности фланца составила 9 микрометров.
Литература:
1. Колпаков А. Миниатюрные модули IGBT MiniSKiiP: пружины вместо пайки /А. Колпаков // Новости электроники. – 2007. – № 20. – с. 15
2. Ивашко А.И., Крымко М.М. Металлокерамический корпус для силовых полупроводниковых модулей / А.И. Ивашко, М.М. Крымко // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. – 2017. – Выпуск №4 (247) – с. 61-67
3. Сидоров В.А. Алюмонитридная керамика в СВЧ транзисторах / В.А. Сидоров // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. – 2008. – Выпуск №1 (220) – с. 58-66
4. Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия» – 1971 г. – с. 112