Силовий напівпровідниковий модуль

1 Силовий напівпровідниковий модуль, який містить рамковий пластмасовий корпус переважно прямокутної форми з ЗОВНІШНІМИ отворами для кріплення і профільним заглибленням по внутрішньому периметру нижнього торця, до опорної площини якого приклеєна і прилягає металізована з двох боків керамічна пластина з периферійною неметалізованою областю по її периметру, на верхньому боці якої змонтовані схемні компоненти, і яка залита всередині корпусу спочатку еластичним, а над ним твердим матеріалом, який відрізняється тим, що ширина А хоча б частини опорної площини профільного заглиблення з боків, прилеглих до отворів для кріплення, збільшена і перевищує ширину периферійної неметалізованої області під нею W не менш ніж на W+k/h, де k - емпіричний коефіцієнт, який дорівнює 0,3 - 5, мм 2 , h - товщина металізованої керамічної пластини, мм 2 Модуль за п 1, який відрізняється тим, що опорна площина профільного заглиблення в торцях, прилеглих до отворів для кріплення, виконана хоча б частково у вигляді приливу на завтовшки не менш як h 3 Модуль за пп 1, 2, який відрізняється тим, що опорна площина профільного заглиблення в торцях, які прилягають до отворів для кріплення, має збільшену ширину вздовж усього торця 4 Модуль за пп 1, 2, який відрізняється тим, що розширена частина опорної площини виконана уздовж частини торця, яка знаходиться навпроти отвору для кріплення 5 Модуль за пп 1-4, який відрізняється тим, що розширена частина опорної площини має уступ 6 Модуль за п 5, який відрізняється тим, що уступ в розширеній частині опорної площини відповідає формі прилеглої до неї металізації керамічної пластини, і висота уступу не перевищує товщину металізації (О Корисна модель належить до галузі силового напівпровідникового приладобудування і може бути використана при виготовленні силових напівпровідникових модулів і приладів, що містять у своєму складі потужні напівпровідникові прилади діоди, тиристори, транзистори тощо в КІЛЬКОСТІ не менш, як один, на ізольованій основі Відомим Є СИЛОВИЙ напівпровідниковий модуль з планками для кріплення, (заявка ФРН № 3 307 704, заявл 04 03 1983), який містить корпус у вигляді відкритої зверху і знизу рамки з планками для кріплення, що містять отвори для монтажу модуля на радіатор, і керамічну пластину із змонтованими на ній тиристорами, діодами або силовими транзисторами, яка уставлена (приклеєна і прилягає) в заглиблення по периметру донної частини рамки Заглиблення в донній частині рамки виконано з виїмкою, так що в зоні стінок рамки, прилеглих до планок для кріплення, між керамічною пластиною і корпусом утворюється паз Такий модуль має низку недоліків Недостатньою є механічна МІЦНІСТЬ модуля Під час його кріплення на тепловідводячий радіатор тиск на керамічну пластину розподіляється по її периметру через неметалізовану частину кераміки нерівномірно Це сприяє механічному пошкодженню кераміки і може привести до електричного пробою керамічної пластини Саме через цю нерівномірність розподілу тиску по периметру керамічної пластини і через значний розбіг в коефіцієнтах термічного розширення ( к т р ) кераміки, пластмаси і заливочного компаунду незадовільною є СТІЙКІСТЬ модулю до циклічних змін температури, особливо при охолодженні модулю до граничної межі 1679 його працездатності Низькою є технологічність складання і герметизації модуля, тому що рівномірність притискування кераміки до корпусу залежить від ЩІЛЬНОСТІ і рівномірності заповнення заглиблення клеючою речовиною Для склеювання керамічної пластини з рамкою і для заливання модуля неможливо використовувати ту ж саму еластичну речовину, тому що ця речовина витікатиме з пазу, не затримуючись там Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, є силовий напівпровідниковий модуль МТТ5 (ИЖКМ 435742 020) виробництва ВАТ 'Перетворювач", м Запоріжжя, Україна, який містить рамковий пластмасовий корпус прямокутної форми з ЗОВНІШНІМИ отворами для кріплення і заглибленням однакового профілю по внутрішньому периметру нижнього торця, до якого по опорній площині цього заглиблення прилягає і приклеєна керамічна пластина, що має на нижньому боці суцільну металізацію з неметалізованою областю по периметру, а на верхньому боці металізацію у вигляді частин, відокремлених діелектричними проміжками Ця металізація також оточена на периферії неметалізованою областю На верхньому боці кераміки на металізації змонтовані схемні компоненти напівпровідникові кристали з електродами, струмові і керуючі виводи, між з'єднання тощо, які залиті усередині корпусу еластичним компаундом, а поверх нього - жорстким матеріалом, крізь який проходять виводи - струмові, керуючі, сигнальні Опорна площина профільного заглиблення приблизно однакова завширшки по усьому периметру корпусу і обпирається на неметалізовану частину кераміки СТІЙКІСТЬ такого модуля до циклічної зміни температури вище, але вона є-таки недостатньою, що обумовлено різницею к т р матеріалу корпусу і кераміки Недостатньою є механічна МІЦНІСТЬ модуля Під час його кріплення на тепловідводячий радіатор з надмірним зусиллям дуже ймовірним є механічне пошкодження кераміки і пов'язаний з цими пошкодженнями електричний пробій керамічної пластини Ця вада, притаманна конструкції модулів низки фірм зумовлена нерівномірністю розподілу тиску корпусу на керамічну пластину, яка обпирається на опорну площину профільного заглиблення своєю неметалізованою частиною Небажаним є для такої конструкції багаторазовий монтаж модуля на радіатор-охолоджувач В основу корисної моделі поставлено задачу в силовому напівпровідниковому модулі шляхом зміни форми профільного заглиблення корпусу забезпечити підвищення механічної МІЦНОСТІ модуля, його довготривалої електроміцності, СТІЙКОСТІ до циклічної зміни температури Поставлена задача вирішується тим, що в силовім напівпровідниковім модулі, який містить пластмасовий корпус, переважно прямокутної форми, з ЗОВНІШНІМИ отворами для кріплення і профільним заглибленням по внутрішньому периметру нижнього торця, до опорної площини якого приклеєна і прилягає металізована з двох боків керамічна пластина з периферійною неметалізованою областю по й периметру, на верхньому боці якої змонтовані схемні компоненти, і яка залита всередині корпусу спочатку еластичним, а над ним тве рдим матеріалом, новим є те, що ширина А хоча б частини опорної площини профільного заглиблення з боків, прилеглих до отворів для кріплення, збільшена і перевищує ширину периферійної неметал ізованої області під нею W не менш, ніж на W+k/h, де к - емпіричний коефіцієнт, який дорівнює (0,3 5), мм 2 , h - товщина металізованої керамічної пластини, мм Новим також є те, що опорна площина профільного заглиблення в торцях, прилеглих до отворів для кріплення, виконана , хоча б частково, у вигляді приливу завтовшки не менш, як h Новим також є те, що опорна площина профільного заглиблення в торцях, які прилягають до отворів для кріплення, має збільшену ширину вздовж усього торця Новим також є те, що поширена частина опорної площини виконана уздовж частини торця, яка знаходиться навпроти отвору для кріплення Новим також є те, що поширена частина опорної площини має уступ Новим також є те, що уступ в поширеній частині опорної площини відповідає формі прилеглої до неї металізації керамічної пластини, і висота уступу не перебільшує товщину металізації Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак технічного рішення, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що зміна форми профільного заглиблення корпусу модуля, що заявляється, а саме те, що - хоча б частина опорної площини профільного заглиблення з боків, прилеглих до отворів для кріплення, має підвищену ширину, - ширина А хоча б частини опорної площини перевищує ширину W периферійної неметалізованої області під нею, - перевищення це складає не менш, як W+k/h, - в сукупності з відомими ознаками забезпечує підвищення механічної міцності модуля, його довгочасної електроміцності, у тому числі, при багаторазовому монтажі модуля на охолоджувач, а також СТІЙКОСТІ модуля до циклічної зміни температур Досягається також підвищення технологічності процесу виготовлення модуля, і збільшується відсоток виходу придатних модулів при їх виготовленні Покращуються умови відведення тепла від модуля Конструкція модуля, що заявляється, забезпечує більш рівномірний розподіл зусиль, що виникають під час монтажу модуля на охолоджувач Оскільки поширена частина опорної площини спирається на металізовану частину керамічної пластини на порівняно великій площі, не виникає місць, де монтажний тиск перевищує критичний Це, в свою чергу, виключає розтріскування кераміки і виникаючий внаслідок цього електричний пробій на охолоджувач Можливим стає повторний монтаж модуля, тому що ризик розтріскування кераміки внаслідок повторного прикладання монтажних зусиль зведено нанівець Покращення СТІЙКОСТІ модуля до циклічних теплозмін (так звана термоциклостійкість) обумов 1679 люється тим, що різниця к т р пластмасового корпуса з металізацією (міддю) менше, ніж з керамікою пластини Покращення технологічності процесу виготовлення модуля зумовлено тим, що для приклеювання корпусу до пластини з схемними компонентами і для наступної первинної заливки модуля є можливість використовувати той самий компаунд Знижені також вимоги до точності нанесення клею, тому що тиск на пластини розподілятиметься на більшу площину Різко зменшується відсоток модулів, бракованих внаслідок невдалого приклеювання Покращення умов відведення тепла від модуля на охолоджувач зумовлене збільшенням площі контакту кераміки з охолоджувачем В модулях, наведених як аналоги, а також в більшості відомих конструкцій модулів кераміка віддалена від монтажного отвору для забезпечення механічної МІЦНОСТІ на порівняно велику відстань (це збільшує плече прикладання навантаження) Конструкція, що заявляється, дозволяє наблизити кераміку до отворів, що практично виливається в використанні при тих самих розмірах модуля подовженої кераміки, яка має набагато більшу, ніж пластмаса, теплопровідність На практиці площа тепловщводу порівняно з відомими конструкціями збільшується на 10-12% Суть технічного рішення, що заявляється, висвітлюється малюнками Фіг 1 - подовжній розріз модуля Фіг 2 - розріз частини модуля у МІСЦІ приклеювання пластини до корпусу Фіг 3 - розріз частини модуля у МІСЦІ приклеювання пластини до корпусу (варіант) Фіг 4 - корпус модулю з чотирма отворами для кріплення (вид з низу) Силовий напівпровідниковий модуль 1 (фіг 1) включає прямокутний пластмасовий корпус 2 у вигляді відкритої рамки з ЗОВНІШНІМИ виступами, оздобленими отворами 3 для кріплення на охолоджувач На внутрішньому периметрі нижнього торця корпусу є профільне заглиблення 4, що містить опорну площину 5 Керамічна пластина з двобічною металізацією 6, на якій змонтовані схемні компоненти, приклеєна і прилягає до опорної площини профільного заглиблення корпусу Схемними компонентами є силові напівпровідникові кристали (діоди, тиристори, триаки, транзистори тощо, у тім числі, із термокомпенсатором) в КІЛЬКОСТІ одного або більше, виводи (силові, сигнальні, керуючі), міжз'єднання, малопотужні керуючі і сигнальні елементи і схеми тощо, у тім числі, і навісні На фіг 1 схемні компоненти зображені умовно, тому що сенс рішення, що заявляється, не залежить від суто електричних функцій, які виконує модуль В середині корпусу керамічна пластина залита шаром еластичного матеріалу 7, а поверх нього - твердим матеріалом 8, крізь який проходять виводи В торцях, які є прилеглими до отворів для кріплення 3, ширина опорної площини 5 профільного заглиблення, або, принаймні, її частини збільшена Ширина А опорної площини 5 профільного заглиблення у цьому торці (фіг 2) перевищує ширину периферійної неметалізованої області W на керамічній пластині 6 під цією опорною площи ною на величину W+k/h, де k - емпіричний коефіцієнт, який дорівнює (0,3-5), MM 2 , h - товщина керамічної пластини в її металізованій частині, мм При монтажі модуля на радіатор здійснюється притискування модуля до площини радіатора гвинтами крізь отвори для кріплення Зусилля, що є необхідним для притискування керамічної пластини до охолоджувача, передається до пластини здебільшого через її металізовану частину Цей тиск передається на порівняно великій площі, що є гарантією рівномірної передачі зусиль на кераміку Виключається небезпечна зосереджена концентрація механічних напруг на кінцях кераміки, що веде до її механічного пошкодження і, врешті, до електричного пробою Поширена частина опорної площини в торцях, що є прилеглими до отворів для кріплення, може бути повністю чи частково виконана, наприклад, у вигляді приливу 9 (фіг 3), товщина якого (не менш як h) є достатньою для рівномірної передачі зусиль на керамічну пластину по усій площі, без деформації цього приливу Опорна площина профільного заглиблення в своїй поширеній частині також може мати уступ 10 (фіг 3) Найкраще виконувати такий уступ ВІДПОВІДНО до форми металізації керамічної пластини, що прилягає до нього, таким чином, щоб висота уступу не перебільшувала товщину цієї металізації Таке рішення дозволяє найбільш вигідно розподілити зусилля затягування при монтажі по площі кераміки Однак, потрібна для цього точність, ретельність виготовлення корпусу не завжди відповідає технологічним можливостям виготовлювача корпусів Поширена частина уступу може бути виконана не тільки монолітною, але і приклеєною Залежно від конструкції корпусу, КІЛЬКОСТІ отворів для кріплення, призначення модуля тощо, опорна площина профільного заглиблення в торцях, прилеглих до отворів для кріплення, може мати збільшену ширину вздовж усього торця, а також уздовж його частини, наприклад, уздовж тієї частини торця, яка знаходиться навпроти отворів для кріплення На фіг 4 зображений вид знизу корпусу 2 модуля з чотирма отворами для кріплення З Тут опорна площина профільного заглиблення 5 виконана поширеною лише уздовж частин торця, які знаходяться навпроти отворів для кріплення З Форма такої поширеної частини може бути різноманітною прямокутною, трикутною, квадратною, у тому числі з закругленням, як вказано на фіг 4 залежно від конструкції модуля і його призначення Для перевірки технічного рішення, що заявляється, було виготовлено дві партії модулів на струм 160 А Схемно модулі являли собою послідовно з'єднані тиристорні структури, напаяні на спільну керамічну пластину з АІгО3 завтовшки 0,63 мм , з металізацією товщиною 0,3мм з МІДІ, виконаною за технологією прямого з'єднання (direct copper bonding) з двох боків Ширина неметалізованої частини керамічної пластини в торцях складала 1,8мм Пластини і схемні компоненти на обох партіях були однакові Силові кремнієві структури випробувалися до і після пайки на пластину і мали рівень блокуючої напруги UDRM, URRM не гірше, як 2000В Корпуси модулів дослідної партії було ви 1679 готовлено ВІДПОВІДНО до технічного рішення, що заявляється, і опорна площина профільного заглиблення в торцях, прилеглих до монтажних отворів, складала 4 мм Контрольна партія модулів мала корпус, виготовлений ВІДПОВІДНО ДО рішення - аналогу, опорна площина профільного заглиблення по усьому периметру дорівнювала 1 мм КІЛЬКІСТЬ кожної партії складала 200 модулів Зібрані і загерметизовані модулі після їх монтажу на радіатор випробувалися на електромщність, граничний струм і напругу класу Після демонтажу з радіаторів модулі обох партій піддавали трьохразовій ЗМІНІ температур від мінус 40°С до С плюс 125 С, після чого знову випробували на електроміцність, напругу класу і граничний струм після монтажу на охолоджувач Результати випробувань показали, що після монтажу на радіатор граничний струм і напруга класу для модулів обох партій були незмінними, але випробування на електроміцність (напруга "модуль - радіатор" складала 2500В) витримали стовідсоткове модулі дослідної парти, тоді як в контрольній партії брак сягав 40% Аналіз брако 3 5 2 8 ваних модулів показав, що причиною електричного пробою кераміки є її мікро-пошкодження, пов'язані з монтажем на радіатор Термоциклічні випробування дослідна партія витримала також стовідсотково На контрольній партії відсоток браку склав 10 % Наступний монтаж модулів на радіатор-охолоджувач витримали модулі дослідної парти, а на контрольній партії не витримали випробувань на електроміцність ще 10 модулів Такі ж самі результати одержано і для модулів з іншими конструктивними особливостями, з використанням технічного рішення, що заявляється Зміна форми профільного заглиблення корпусу дозволила забезпечити підвищення порівняно з існуючими конструкціями модулів механічної МІЦНОСТІ модуля і його електроміцності, СТІЙКОСТІ до циклічних змін температури Підвищилася технологічність виготовлення модуля і відсоток виходу придатних при його виготовленні Забезпечується можливість багаторазового монтажу модуля на охолоджувач 8 Фіг.2 Y 3J Фіг.4 Фіг.З Підписано до друку 03 04 2003 p Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236 - 47 - 24