DE112012004593T5 - Leistungswandler - Google Patents

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Abstract

Eine Konfiguration umfasst eine Leistungshalbleitereinheit 51, die dadurch gebildet wird, dass ein Leistungshalbleiterelement 4, das auf einer oberen Oberfläche 1b eines Metallblocks 1 montiert ist, eine Leiterplatteneinheit 52, die dadurch gebildet wird, dass elektronische Schaltungsbauteile 6a und 6b auf einer Leiterplatte 5 montiert sind, in der ein Loch 14 geöffnet ist, in dem der Metallblock 1 aufgenommen werden kann, und ein Kühlkörper 7, bei dem eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53, in welche die Leistungshalbleitereinheit 51 und Leiterplatteneinheit 52 integriert sind, so dass der Metallblock 1 in das Loch 14 passt, konfiguriert ist, ein Keramikmaterial direkt auf einer Seite der unteren Oberfläche 1a des Metallblocks 1 als Wärme abgebende Isolierschicht 2 gebildet ist, und die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53 an dem Kühlkörper 7 dadurch angebracht wird, dass die untere Oberfläche 1a des Metallblocks 1 über die Wärme abgebende Isolierschicht 2 in Kontakt mit einer oberen Oberfläche 7a des Kühlkörpers 7 kommt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungswandler, der ein Leistungshalbleiterelement, wie etwa einen Wechselrichter, einen Servoregler oder eine USV, verwendet.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Leistungswandler, die aus einem Leistungshalbleiterelement oder dergleichen bestehen, werden auf vielen verschiedenen Gebieten verwendet, die von Verbrauchereinrichtungen, wie etwa Haushalts-Klimaanlagen und Kühlschränken, bis zu industriellen Einrichtungen, wie etwa Wechselrichtern und Servoreglern, reichen.
  • Im Hinblick auf den Energieverbrauch wird ein Leistungshalbleiterelement auf einer Leiterplatte, wie etwa auf einem Metallbasissubstrat der einem Keramiksubstrat, montiert. Ein Leistungshalbleitermodul wird dadurch konfiguriert, dass eines oder eine Vielzahl von Schaltungselementen, wie etwa ein Leistungshalbleiterelement, auf die Leiterplatte montiert wird bzw. werden, dass ein Kunststoffgehäuserahmen angebracht wird und mit Siliziumgel, einem Epoxidharz oder dergleichen umschlossen wird.
  • Um dabei die Herstellungskosten zu reduzieren, ist auch ein Leistungshalbleitermodul mit vollem Funktionsumfang vorhanden, das durch ein Spritzpressverfahren erstellt wird (siehe beispielsweise PTL 1).
  • Normalerweise verwendet ein Leistungswandler das Leistungshalbleitermodul als Hauptschaltung und wird aus der Hauptschaltung und anderen Energieversorgungsschaltungen und Regelschaltungen konfiguriert. Die Energieversorgungsschaltungen und Regelschaltungen werden aus diversen Bauteilen konfiguriert, wie etwa aus einer IC, einer LSI, einem Widerstand, einem Kondensator und einer Drosselspule, werden jedoch normalerweise auf einer Leiterplatte montiert.
  • 17 zeigt ein Beispiel einer Struktur eines bisher bekannten Leistungswandlers. Ein Leistungshalbleitermodul 10 wird auf einem Kühlkörper 7 über eine Wärmeleitpaste montiert, um die Wärmeabgabeeigenschaften zu verbessern. Ferner werden eine Leiterplatte 9a und eine Leiterplatte 9b, auf denen elektronische Schaltungsbauteile montiert sind, in einem oberen Teil angeordnet und über einen Stift oder dergleichen zusammengefügt. Ferner werden sie mit einem Gehäuse 8 abgedeckt, wodurch ein Leistungswandler 200 konfiguriert wird.
  • In 17 umfasst das Leistungshalbleitermodul 10 ein Isoliersubstrat 11, Anschlussleitungsklemmen 18 und 18A, ein Isolierharz 19, ein Leistungshalbleiterelement 4, einen Aluminiumdraht 12, einen Gehäusehauptkörper 20 und eine Abdeckung 21. Das Isoliersubstrat 11 ist derart gestaltet, dass eine Isolierschicht 16 auf der Oberfläche einer Metallbasis 15 gebildet wird und ein Schaltungsmuster 17 auf der Oberfläche der Isolierschicht 16 gebildet wird. Die Metallbasis 15 ist eine Aluminiumplatte, eine Platte, die aus einer Aluminiumlegierung besteht, eine Kupferplatte, eine Platte, die aus einer Kupferlegierung besteht, oder dergleichen. Die Isolierschicht 16 ist eine Isolierschicht, die durch Härten eines Epoxidharzes gebildet wird, das einen anorganischen Füllstoff enthält, wie etwa Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Das Schaltungsmuster 17 ist ein Muster, das beispielsweise aus einem dünnen Kupferfilm gebildet wird.
  • Der Gehäusehauptkörper 20, der aus einem Harz (Epoxid, PPS, PBT oder dergleichen) besteht, ist an dem Isoliersubstrat 11 befestigt, wodurch ein Aufnahmeraum gebildet wird. Eine rückseitige Elektrode des Leistungshalbleiterelements 4 und die Anschlussleitungsklemmen 18 und 18A werden durch Löten an das Schaltungsmuster 17 des Isoliersubstrats 11 zusammengefügt (verbunden/befestigt), während eine vorderseitige Elektrode des Leistungshalbleiterelements 4 und das Schaltungsmuster 17 durch den Aluminiumdraht 12 verbunden werden. Ferner ist das Innere des Aufnahmeraums, der durch den Gehäusehauptkörper 20 gebildet wird, mit Isolierharz 19, wie etwa mit Siliziumgel oder Epoxidharz von hoher Wärmeleitfähigkeit, gefüllt, das die Leistungsschaltung umschließt, ein Öffnungsteil des Gehäusehauptkörpers 20 wird von der Abdeckung 21 abgedeckt, die aus dem gleichen Harz besteht wie der Gehäusehauptkörper 20, und die Anschlussleitungsklemmen 18 und 18A dringen in die Abdeckung 21 ein.
  • Die Leiterplatten 9a und 9b sind derart, dass die Schaltungsmuster 24a und 24b, die beispielsweise aus Kupferfolie gebildet sind, jeweils auf elektrischen Isoliersubstrat-Hauptkörpern 23a und 23b gebildet sind, die beispielsweise aus Glasepoxid (einem Epoxidharz, das mit Glasfasern verstärkt ist) konfiguriert sind. Elektronische Schaltungsbauteile 6c, 6d und 6e der oberflächenmontierten Art werden durch Löten auf die Leiterplatte 9a montiert, und elektronische Schaltungsbauteile 6f und 6g der durchkontaktierten Art werden durch Löten auf die Leiterplatte 9b montiert. Die Leiterplatten 9a und 9b werden auf dem Kühlkörper 7 anhand von Trägern 25 und 25A getragen und daran befestigt.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 ist über die Anschlussleitungsklemmen 18 und 18A an die Leiterplatten 9a und 9b angeschlossen, die über dem Leistungshalbleitermodul 10 angeordnet sind. In 17 wird eine Konfiguration gezeigt, bei der die Anschlussleitungsklemme 18 an das Schaltungsmuster 24b der Leiterplatte 9b über die Verdrahtung 26 angeschlossen ist, und die Anschlussleitungsklemme 18A direkt an das Schaltungsmuster 24a der Leiterplatte 9a angeschlossen ist.
  • Liste der Entgegenhaltungen
  • Patentliteratur
    • PTL 1: JP-A-9-139461
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Technisches Problem
  • Da das Leistungshalbleitermodul jedoch derart gestaltet ist, dass das Leistungshalbleiterelement auf dem Isoliersubstrat montiert ist, und eine große Anzahl von Werkstoffen vor dem Kühlkörper enthalten sind, besteht ein gewisser thermischer Widerstand und die Kühlcharakteristiken sind nicht unbedingt ausreichend, wobei es dann nicht möglich ist, die Wärme von dem Leistungshalbleiter ausreichend zu übertragen.
  • Je weiter es dabei möglich ist, den thermischen Widerstand zu reduzieren, desto weiter kann die Temperatur des Leistungshalbleiterelements im Betrieb gesenkt werden, woraufhin es möglich ist, die Chip-Größe des Leistungshalbleiterelements zu reduzieren, was zu einer Reduzierung der Kosten führt.
  • Da das Leistungshalbleitermodul auch ein Produkt bildet, ist ein gewisses Volumen notwendig, damit es im Innern eines Leistungswandlers angeordnet wird, was die Reduzierung der Größe behindert und eine Reduzierung der Kosten des Leistungswandlers behindert.
  • Die Erfindung, die unter Berücksichtigung derartiger Probleme erdacht wurde, hat die Aufgabe, einen besseren Leistungswandler mit besseren Wärmeabgabeeigenschaften bereitzustellen, so dass eine Reduzierung der Größe möglich ist, und der den Anforderungen einer Reduzierung der Kosten gerecht wird.
  • Problemlösung
  • Um eine derartige Aufgabe zu erfüllen, weist die Erfindung eine Konfiguration auf, umfassend eine Leistungshalbleitereinheit, die durch ein erstes Schaltungselement gebildet wird, das aus einem Leistungshalbleiterelement gebildet wird, das auf der oberen Oberfläche eines Metallblocks montiert wird, der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, eine Leiterplatteneinheit, die durch ein zweites Schaltungselement gebildet wird, das auf einer Leiterplatte montiert wird, in der ein Loch geöffnet ist, in dem der Metallblock aufgenommen werden kann, und einen Kühlkörper, wobei eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe, in welche die Leistungshalbleitereinheit und die Leiterplatteneinheit integriert sind, so dass der Metallblock in das Loch passt, konfiguriert ist, ein Keramikmaterial direkt auf der unteren Oberfläche des Metallblocks als Wärme abgebende Isolierschicht gebildet ist, und die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe an dem Kühlkörper dadurch angebracht ist, dass die untere Oberfläche des Metallblocks mit der oberen Oberfläche des Kühlkörpers über die Wärme abgebende Isolierschicht in Kontakt kommt (Erfindung nach Anspruch 1).
  • Erfindungsgemäß steht der Metallblock mit hoher Wärmekapazität und besseren Wärmeabgabeeigenschaften über die Wärme abgebende Isolierschicht, die aus einem Keramikmaterial gebildet ist, in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper, weshalb es möglich ist, den thermischen Widerstand des unteren Teils des ersten Schaltungselements, das durch ein Leistungshalbleiterelement gebildet wird, zu reduzieren, und es somit möglich ist, die Wärmeabgabeeigenschaften zu verbessern. Demnach ist es möglich, einen Leistungshalbleiter-Chip mit geringeren Kosten und kleinerer Fläche als das Leistungshalbleiterelement zu verwenden.
  • Da die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe dadurch konfiguriert wird, dass die Leistungshalbleitereinheit, die durch das erste Schaltungselement gebildet wird, das aus einem Leistungshalbleiterelement gebildet wird, das auf der oberen Oberfläche des Metallblocks montiert ist, und die Leiterplatteneinheit, die durch das zweite Schaltungselement gebildet wird, auf der Leiterplatte montiert ist, derart integriert sind, dass der Metallblock in das Loch in der Leiterplatte passt, ist es nicht notwendig, nur einen Hauptschaltungsteil, der durch ein Leistungshalbleiterelement gebildet wird, in einem unabhängigen Gehäuse aufzunehmen, wie bei einem bisher bekannten Leistungshalbleitermodul, weshalb es nicht notwendig ist, es an eine Leiterplatte, auf der andere elektronische Schaltungsbauteile montiert sind, über eine Anschlussleitungsklemme, die in dem Gehäuse bereitgestellt wird, anzuschließen, und es somit möglich ist, die Kapazität des Leistungswandlers zu reduzieren.
  • Ferner ist es nicht notwendig, ein dediziertes Leistungshalbleitermodul zu verwenden, was zu einer Reduzierung der Kosten des Leistungswandlers führt.
  • Ferner ist es möglich, eine Konfiguration zu übernehmen, so dass ein Keramikmaterial direkt auf der unteren Oberfläche des Metallblocks und mindestens einem Teil einer seitlichen Oberfläche des Metallblocks als Wärme abgebende Isolierschicht gebildet ist, und die Wärme abgebende Isolierschicht auf der unteren Oberfläche und die Wärme abgebende Isolierschicht auf der seitlichen Oberfläche vorgesehen sind, um nebeneinander zu liegen (Erfindung nach Anspruch 2).
  • Dadurch dass die Wärme abgebende Isolierschicht auch auf mindestens einem Teil der seitlichen Oberfläche des Metallblocks bereitgestellt wird, die einen Ableitungsweg zwischen dem Metallblock und dem Kühlkörper bilden kann, um neben der Wärme abgebenden Isolierschicht der unteren Oberfläche zu liegen, ist es möglich die Isoliereigenschaften weiter zu verbessern.
  • Auch ist es möglich, eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass ein Keramikmaterial direkt auf der unteren Oberfläche des Metallblocks und auf einem Umfangsbereich des Metallblocks auf der unteren Oberfläche der Leiterplatte als Wärme abgebende Isolierschicht gebildet wird (Erfindung nach Anspruch 3).
  • Auch ist es möglich, eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass das Loch ein Öffnungsteil eines Durchkontaktteils ist, der auf einer Leiterschicht gebildet ist, dass der Metallblock an dem Durchkontaktteil durch Löten befestigt wird, und dass der Umfangsbereich des Metallblocks auf der unteren Oberfläche der Leiterplatte eine Kontaktfläche des Durchkontaktteils ist (Erfindung nach Anspruch 4).
  • Auch ist es möglich, eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass die Leistungshalbleitereinheit eine Relaiselektroden-Isolierschicht umfasst, die dadurch gebildet wird, dass ein Keramikmaterial direkt auf einen Teil der oberen Oberfläche des Metallblocks abgeschieden wird, und eine Relaiselektrode umfasst, die dadurch gebildet wird, dass ein Metallmaterial auf die obere Oberfläche der Relaiselektroden-Isolierschicht abgeschieden wird, wobei ein Bonddraht oder ein Leiterrahmen von dem ersten Schaltungselement mit der Relaiselektrode zusammengefügt wird, und die Relaiselektrode und ein Schaltungsmusterteil auf der Seite der oberen Oberfläche der Leiterplatte verbunden werden (Erfindung nach Anspruch 5).
  • Gemäß dieser Konfiguration kann dadurch, dass der Bonddraht oder der Leiterrahmen von dem ersten Schaltungselement mit der Relaiselektrode gebondet wird, und die Relaiselektrode und der Schaltungsmusterteil auf der Seite der oberen Oberfläche der Leiterplatte verbunden werden, das erste Schaltungselement und der Schaltungsmusterteil auf der Seite der oberen Oberfläche der Leiterplatte über die Relaiselektrode verbunden werden.
  • Aus diesem Grund überträgt sich Wärme, die von dem ersten Schaltungselement, das durch ein Leistungshalbleiterelement gebildet wird, im Betrieb generiert wird und entlang dem Bonddraht oder dem Leiterrahmen von dem ersten Schaltungselement aus übertragen wird, hauptsächlich auf den Metallblock mit hoher Wärmekapazität und besseren Wärmeabgabeeigenschaften anhand der Relaiselektrode und der Relaiselektroden-Isolierschicht, die aus einem Keramikmaterial gebildet ist, während die Wärmemenge, die sich auf den Schaltungsmusterteil auf der Seite der oberen Oberfläche der Leiterplatte überträgt, gering genug gehalten wird, weshalb es möglich ist, die Wärmeabgabeeigenschaften des Leistungswandlers weiter zu verbessern.
  • Auch ist es möglich, eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass die Relaiselektrode durch Sprühen von Kupferteilchen als Metallmaterial gebildet wird (Erfindung nach Anspruch 6).
  • Auch ist es möglich, eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass die Relaiselektrode und der Schaltungsmusterteil auf der Seite der oberen Oberfläche der Leiterplatte mit einem Bonddraht oder einem Leiterrahmen verbunden werden (Erfindung nach Anspruch 7).
  • Auch ist es möglich, eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass die Wärmeleitzahl der Wärme abgebenden Isolierschicht und/oder der Relaiselektroden-Isolierschicht von 1 bis 200 W/m·K beträgt und die Dicke von 10 bis 500 μm beträgt (Erfindung nach Anspruch 8).
  • Auch ist es möglich, eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass die Wärme abgebende Isolierschicht und/oder die Relaiselektroden-Isolierschicht aus mindestens einer Art von einer Füllstoffgruppe gebildet ist bzw. sind, die aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Bornitrid besteht (Erfindung nach Anspruch 9). Ferner ist es auch möglich, eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass die Wärme abgebende Isolierschicht und/oder die Relaiselektroden-Isolierschicht dadurch gebildet wird bzw. werden, dass feine Keramikteilchen von mindestens einer Art der Füllstoffgruppe unter Verwendung eines Plasmasprühverfahrens abgeschieden werden (Erfindung nach Anspruch 10), oder eine derartige Konfiguration zu übernehmen, dass die Wärme abgebende Isolierschicht und/oder die Relaiselektroden-Isolierschicht dadurch gebildet wird bzw. werden, dass feine Keramikteilchen von mindestens einer Art der Füllstoffgruppe unter Verwendung eines Aerosolabscheidungsverfahrens abgeschieden werden (Erfindung nach Anspruch 11).
  • Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
  • Erfindungsgemäß ist es möglich, einen besseren Leistungswandler mit besseren Wärmeabgabeeigenschaften derart bereitzustellen, dass eine Reduzierung der Größe möglich ist, und er den Anforderungen einer Kostenreduzierung gerecht wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht, die eine Konfiguration eines Leistungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 2 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 3 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 4 Schnittansichten, die eine andere Konfiguration des Leistungswandlers gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 5 eine Schnittansicht, die eine Konfiguration eines Leistungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 6 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 7 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 8 Schnittansichten, die eine andere Konfiguration des Leistungswandlers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 9 Schnittansichten, die Konfigurationen von Leistungswandlern gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 10 ein Diagramm, das schematisch die Wärmeströmung eines Leistungswandlers des Leistungswandlers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 11 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 12 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 13 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 14 Schnittansichten, die Konfigurationen von Leistungswandlern gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 15 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 16 Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • 17 eine Schnittansicht, die ein Beispiel einer Struktur eines bisher bekannten Leistungswandlers zeigt.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend wird eine Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen angegeben. Die Erfindung, die nicht auf die nachstehenden Ausführungsformen eingeschränkt ist, kann mit geeigneten Änderungen umgesetzt werden, ohne ihren Umfang zu verlassen. Auch werden mit Bezug auf die nachstehende Beschreibung die gleichen Referenzzeichen den gleichen Teilen oder Elementen in allen Zeichnungen zugeteilt, soweit nicht anders angegeben.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration eines Leistungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In 1 ist eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53 dadurch konfiguriert, dass eine Leistungshalbleitereinheit 51, die von einem Leistungshalbleiterelement 4 gebildet wird, wie etwa von einem IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), der auf einer oberen Oberfläche 1b eines Metallblocks 1 montiert ist, der die obere Oberfläche 1b und eine untere Oberfläche 1a aufweist, und eine Leiterplatteneinheit 52, die dadurch gebildet ist, dass elektronische Schaltungsbauteile 6a und 6b auf einer Leiterplatte 5 montiert sind, in der ein Loch 14 geöffnet ist, in dem der Metallblock 1 aufgenommen werden kann, derart integriert sind, dass der Metallblock 1 in das Loch 14 passt. Nachstehend werden die obere Oberfläche 1b und die untere Oberfläche 1a des Metallblocks 1 jeweils auch als „Vorderseite 1b” und „Rückseite 1a” bezeichnet.
  • Der Metallblock 1 ist derart gestaltet, dass ein Keramikmaterial direkt auf der Seite seiner unteren Oberfläche 1a als Wärme abgebende Isolierschicht 2 gebildet ist, wodurch ein isolierender Metallblock 3 konfiguriert wird. Insbesondere wird als Wärme abgebende Isolierschicht 2 eine Wärme abgebende Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils auf der unteren Oberfläche 1a des Metallblocks 1 gebildet und eine Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils wird auf einem Teil einer seitlichen Oberfläche 1c des Metallblocks 1 gebildet. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils ist derart gebildet, dass sie neben der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils liegt.
  • Die Leiterplatte 5 ist derart gestaltet, dass ein Schaltungsmuster 24, das beispielsweise aus Kupferfolie gebildet ist, auf einem elektrischen Isoliersubstrat-Hauptkörper 23 gebildet ist, der beispielsweise aus Glasepoxid (einem Epoxidharz, das mit Glasfasern verstärkt ist) konfiguriert ist. Auch ist das Loch 14 ein Durchgangsloch, das in der Leiterplatte 5 gemäß der Form des Metallblocks 1, wie etwa quadratisch oder rechteckig, gebildet ist. Nachstehend werden eine obere Oberfläche 501 und eine untere Oberfläche 502 des Substrathauptkörpers 23 auch jeweils als „Vorderseite 501” und „Rückseite 502” bezeichnet. Auch ist die obere Oberfläche 501 des Substrathauptkörpers 23 eine Bauteilmontagefläche.
  • Die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53 ist an einem Kühlkörper 7 angebracht, so dass die untere Oberfläche 1a des Metallblocks 1 mit einer oberen Oberfläche 7a des Kühlkörpers 7 über die Wärme abgebende Isolierschicht 2 (Wärme abgebende Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils) in Kontakt kommt. Ferner ist ein Gehäuse 8, das die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53 von oben abdeckt, an dem Kühlkörper 7 angebracht, wodurch ein Leistungswandler 100 konfiguriert wird.
  • Der Leistungswandler 100 ist derart gestaltet, dass eine Hauptschaltung durch das Leistungshalbleiterelement 4, das auf der oberen Oberfläche 1b des Metallblocks 1 montiert ist, konfiguriert ist, während andere Energieversorgungsschaltungen und Regelschaltungen durch die elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b, die auf der Leiterplatte 5 montiert sind, konfiguriert sind. Diverse Arten von Bauteilen, wie etwa eine IC, eine LSI, ein Widerstand, ein Kondensator und eine Drosselspule, werden als elektronische Schaltungsbauteile 6a und 6b verwendet.
  • Der Leistungswandler 100 ist derart gestaltet, dass zum Bilden einer Schaltung mit dem Leistungshalbleiterelement 4 und dem Schaltungsmuster 24 der Leiterplatte 5 beide durch einen Aluminiumdraht 12 miteinander verbunden sind, wie in 1 gezeigt.
  • Da der Leistungswandler 100 somit derartig ist, dass die Leistungshalbleitereinheit 51, in der das Leistungshalbleiterelement 4 auf der oberen Oberfläche 1b des Metallblocks 1 montiert ist, und die Leiterplatteneinheit 52, in der die elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b auf der Leiterplatte 5 montiert sind, derart integriert sind, dass der Metallblock 1 in das Loch 14 der Leiterplatte 5 passt, ist es nicht notwendig, nur einen Hauptschaltungsteil, der durch ein Leistungshalbleiterelement gebildet wird, in einem unabhängigen Gehäuse aufzunehmen, wie bei dem bisher bekannten Leistungshalbleitermodul, und es ist möglich, das Leistungshalbleiterelement 4 und das Schaltungsmuster 24 der Leiterplatte 5 direkt durch den Aluminiumdraht 12 oder dergleichen zu verbinden, weshalb es möglich ist, die Kapazität eines Leistungswandlers im Vergleich mit der zuvor bekannten zu reduzieren.
  • Auch ist der Leistungswandler 100 derart gestaltet, dass der Metallblock 1 aus Kupfer, einem Metallmaterial mit guter elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, konfiguriert ist, und der Metallblock 1 über hohe Wärmekapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften verfügt, weil seine Dicke im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm liegt.
  • Wie es ferner nachstehend beschrieben wird, ist der Leistungswandler 100 derart gestaltet, dass die Wärme abgebende Isolierschicht 2, die auf der Seite der unteren Oberfläche 1a des Metallblocks 1 gebildet ist, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid, gebildet ist. Es wird bevorzugt, dass die Wärmeleitzahl der Wärme abgebenden Isolierschicht 2 von 1 bis 200 W/m·K beträgt, und bevorzugt, dass die Dicke von 10 bis 500 μm beträgt.
  • Da der Leistungswandler 100 somit derart konfiguriert ist, dass die untere Oberfläche 1a des Metallblocks 1, auf dem das Leistungshalbleiterelement 4 montiert ist, und der eine hohe thermische Kapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweist, mit dem Kühlkörper 7 über die Wärme abgebende Isolierschicht 2 (Wärme abgebende Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils), die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, direkt in Kontakt steht, ist es möglich, den thermischen Widerstand eines unteren Teils des Leistungshalbleiterelements 4 ausreichend zu reduzieren, und somit verfügt der Leistungswandler 100 über bessere Wärmeabgabeeigenschaften.
  • Da der Leistungswandler 100 auch derart gestaltet ist, dass die Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils auch auf einem Teil der seitlichen Oberfläche 1c des Metallblocks 1 angeordnet ist, was einen Ableitungsweg zwischen dem Metallblock 1 und dem Kühlkörper 7 bilden kann, um neben der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils zu liegen, können gute Isoliereigenschaften ausgebildet werden.
  • Ein Konfigurationsbeispiel, bei dem zwei der Leistungshalbleiterelemente 4 auf dem Metallblock 1 montiert sind, wird in 1 gezeigt, doch die Anzahl der Leistungshalbleiterelemente 4, die auf dem Metallblock 1 montiert sind, kann gleich eins sein oder kann gleich drei oder mehr sein.
  • Da das Metallmaterial, das den Metallblock 1 bildet, auch nicht auf Kupfer eingeschränkt ist, kann man auch eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen anwenden.
  • Man kann auch Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen als Metallmaterial, das den Kühlkörper 7 bildet, anwenden.
  • Im Anschluss wird eine Beschreibung mit Bezug auf 2 und 3 eines Verfahrens zum Herstellen des Leistungswandlers 100 angegeben. 2 und 3 sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • Zuerst wird eine Beschreibung eines Verfahrens zum Anfertigen des isolierenden Metallblocks 3 angegeben. Zuerst wird der Metallblock 1 dadurch angefertigt, dass eine Kupferplatte im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm durch Stanzen zu einem Quadrat oder Rechteck ausgestanzt wird (2(a)).
  • Dann wird eine Maske 30 aufgetragen, und die Wärme abgebende Isolierschicht 2 wird auf einer Seite der Oberfläche (der unteren Oberfläche 1a) des Metallblocks 1 dadurch gebildet, dass Keramikpulver unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aersolabscheidungsverfahrens abgeschieden wird. Als Wärme abgebende Isolierschicht 2 ist die Wärme abgebende Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils auf der unteren Oberfläche 1a des Metallblocks 1 gebildet und die Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils ist auf einem Teil der seitlichen Oberfläche 1c des Metallblocks 1 gebildet. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils ist derart gebildet, dass sie neben der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils liegt (2(b) bis 2(c)).
  • Wenn die Wärme abgebende Isolierschicht 2 auf einer Seite der Oberfläche (der unteren Oberfläche 1a) des Metallblocks 1 gebildet wird, beispielsweise unter Verwendung eines Plasmasprühverfahrens unter den Sprühverfahren, wird eine Art oder werden mehrere Arten von Keramikpulver aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid verwendet. In einer Umgebung mit atmosphärischem Druck oder reduziertem Druck erfolgt das Sprühen an dem Metallblock 1 durch die Maske 30 hindurch, wodurch die Wärme abgebende Isolierschicht 2 abgeschieden und der isolierende Metallblock 3 gebildet wird.
  • Um auch die Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils zusätzlich zu der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils als Wärme abgebende Isolierschicht 2 auf dem Metallblock 1 unter Verwendung eines Plasmasprühverfahrens zu bilden, wird beispielsweise Keramikpulver als Rohmaterialpulver 31A und 31B in einem Zustand versprüht, in dem ein Teil der seitlichen Oberfläche 1c des Metallblocks 1 durch die Maske 30 hindurch freigelegt wird, wie in 2(b) gezeigt. Nun wird durch Anpassen der Richtung einer Sprühdüse (nicht gezeigt), um auch das schräg gerichtete Rohmaterialpulver 31B zusätzlich zu der Richtung des Rohmaterialpulvers 31A, das frontal auf die untere Oberfläche 1a des Metallblocks 1 trifft, zu verwenden, wird die Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils, die mit der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils verbunden ist, auch auf einem Teil der seitlichen Oberfläche 1c auf dem Metallblock 1 zusätzlich zu der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils der unteren Oberfläche 1a gebildet. Der Bereich der seitlichen Oberfläche 1c des Metallblocks 1, der von der Wärme abgebenden Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils bedeckt wird, wird unter Berücksichtigung der Bedingungen für die Isolierung bestimmt, wie etwa einer Potenzialdifferenz, die zwischen dem Metallblock 1 und dem Kühlkörper 7 auftreten kann.
  • Die Dicke der Wärme abgebenden Isolierschicht 2 kann durch Regeln der Sprühdauer reguliert werden. Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Wärme abgebenden Isolierschicht 2 von 10 bis 500 μm beträgt. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2, die wie zuvor beschrieben gebildet wird, weist als Isoliercharakteristiken beispielsweise eine Wechselstrom-Durchschlagspannung von 5 kV oder mehr bei einer Dicke von 200 μm auf, und kann auch in einem Leistungselement mit einer Stehspannungsnennleistung von 1200 V verwendet werden.
  • Anschließend wird eine Beschreibung eines Falls angegeben, bei dem die Wärme abgebende Isolierschicht 2 auf eine Seite der Oberfläche (die untere Oberfläche 1a) des Metallblocks 1 unter Verwendung eines Aerosolabscheidungsverfahrens abgeschieden wird. Ein Aerosolabscheidungsverfahren ist eine Technologie, durch die ein Rohmaterial mit feinen Teilchen oder ultrafeinen Teilchen dadurch in Aerosolform vernebelt wird, dass es mit Gas vermischt wird, und eine Beschichtung auf einem Substrat anhand einer Düse gebildet wird. Als Gas wird Helium oder Luft verwendet. Eine Vorrichtung kann aus einer nicht gezeigten Aerosolkammer und einer Filmabscheidungskammer konfiguriert sein. Der Druck in der Filmabscheidungskammer wird anhand einer Vakuumpumpe auf ungefähr 50 Pa bis 1 kPa reduziert. Ein Material mit feinen Teilchen oder ultrafeinen Teilchen, bei dem es sich um das Rohmaterial handelt, wird in Aerosolform vernebelt, indem es bewegt und in einem getrockneten Zustand mit Gas im Innern der Aerosolkammer vermischt wird, in die Filmabscheidungskammer durch eine Strömung des Gases befördert wird, die wegen einer Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern auftritt, beschleunigt, indem es durch eine schlitzförmige Düse geht, und auf eine Seite der Oberfläche (die untere Oberfläche 1a) des Metallblocks 1 gesprüht, der den Gegenstand der Filmabscheidung bildet. Ein Keramikpulver, das mechanisch auf einen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 2 μm zerstäubt wird, wird für die feinen Teilchen des Rohmaterials verwendet. Die gasgetragenen ultrafeinen Teilchen werden auf mehrere hundert Meter pro Sekunde beschleunigt, indem sie durch eine Düse mit einer winzigen Öffnung im Innern der druckreduzierten Kammer gegeben werden. Da die Geschwindigkeit der Filmabscheidung und die Dichte des filmbildenden Materials stark von dem Teilchendurchmesser, dem Ausflockungszustand, dem Trockenzustand und dergleichen der verwendeten feinen Keramikteilchen abhängig sind, wird ein Desintegrator für ausgeflockte Teilchen oder eine Sortiervorrichtung zwischen der Aerosolkammer und der Filmabscheidungskammer verwendet.
  • Um ferner die Wärme abgebende Isolierschicht 2 als Film zu bilden, werden feine Keramikteilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,1 bis 2 μm mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat gesprüht und durch die Kollisionsenergie zu mikrokristallinen Teilchen von ungefähr 10 bis 30 nm zerkleinert zu dem Zeitpunkt, zu dem die Oberfläche dadurch aktiviert wird, dass sich eine neue Oberfläche bildet und die Teilchen kombiniert werden, wodurch sich ein Keramikfilm mit einer dichten nanokristallinen Struktur bildet. Die Bildung ist auch auf Umgebungstemperatur ohne besondere Anwendung von Wärme möglich.
  • Es wird bevorzugt, dass eines von Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid mit einem Teilchendurchmesser im Bereich von 0,1 bis 2 μm für die feinen Teilchen der Aerosolabscheidung verwendet wird. Um die notwendige Filmdicke zu erzielen, werden die feinen Teilchen eine vorbestimmte Zeit lang unter Verwendung der Maske 30 gesprüht, wodurch sie die Wärme abgebende Isolierschicht 2 bilden, die in 2(c) gezeigt wird.
  • Um auch die Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils zusätzlich zu der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils als Wärme abgebende Isolierschicht 2 auf dem Metallblock 1 zu bilden, werden beispielsweise unter Verwendung eines Aerosolabscheidungsverfahrens feine Keramikteilchen als Rohmaterialpulver 31A und 31B in einem Zustand versprüht, in dem ein Teil der seitlichen Oberfläche 1c des Metallblocks 1 durch die Maske 30 hindurch freigelegt ist, wie in 2(b) gezeigt, wie bei dem zuvor beschriebenen Plasmasprühverfahren. Nun wird durch Anpassen der Richtung einer Düse (nicht gezeigt), um auch das schräg gerichtete Rohmaterialpulver 31B zusätzlich zu der Richtung des Rohmaterialpulvers 31A zu verwenden, das frontal auf die untere Oberfläche 1a des Metallblocks 1 trifft, wird auch die Wärme abgebende Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils, die mit der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils verbunden ist, auf einem Teil der seitlichen Oberfläche 1c auf dem Metallblock 1 zusätzlich zu der Wärme abgebenden Isolierschicht 2a des unteren Oberflächenteils der unteren Oberfläche 1a gebildet. Der Bereich der seitlichen Oberfläche 1c des Metallblocks 1, der von der Wärme abgebenden Isolierschicht 2b des seitlichen Oberflächenteils abgedeckt wird, wird unter Berücksichtigung der Bedingungen für die Isolierung bestimmt, wie etwa einer Potenzialdifferenz, die zwischen dem Metallblock 1 und dem Kühlkörper 7 auftreten kann.
  • Dabei kann auch eine Aluminiumoxid-Beschichtung, die auf einem Füllstoff aus Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid gebildet wird, oder eine Siliziumoxid-Beschichtung, die auf einem Füllstoff aus Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid gebildet wird, als feine Teilchen aufgetragen werden. Durch die Verwendung dieser feinen Teilchen ist es möglich, eine Isolierschicht zu bilden, wobei zwei oder mehrere Keramikarten kombiniert werden.
  • Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Wärme abgebenden Isolierschicht 2 wie bei dem Sprühverfahren von 10 bis 500 μm beträgt. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2, die wie zuvor beschrieben gebildet wird, weist als Isoliercharakteristiken beispielsweise eine Wechselstrom-Durchschlagspannung von 5 kV oder mehr bei einer Dicke von 200 μm auf, und kann auch in einem Leistungselement mit einer Stehspannungsnennleistung von 1200 V verwendet werden.
  • Anschließend wird das Leistungshalbleiterelement 4 mit der oberen Oberfläche 1b des Metallblocks 1 in dem isolierenden Metallblock 3 durch Zusammenfügen mit einem Lötmetall 28a zusammengefügt (2(d)). Es empfiehlt sich, das Löten unter Verwendung eines Lötmetalls in Granulatform in einem Ofen auszuführen, in dem eine Wasserstoffreduzierung möglich ist. Ein Ofen, in dem eine Wasserstoffreduzierung möglich ist, wird verwendet, um die Undichtheit mit dem Lötmetall zu verbessern, indem der Oxidfilm an der Oberfläche des Metallblocks 1 durch Wasserstoffreduzierung entfernt wird, wodurch die Oberfläche aktiviert wird. Als Lötmaterial wird ein Hochtemperatur-Lötmetall aus SnPbAg oder ein bleifreies Lötmetall beispielsweise aus einer SnAgCu-Gruppe verwendet. Die Löttemperatur wird gemäß dem Schmelzpunkt des Lötmetalls eingestellt.
  • Für den Fall, dass eine Lücke in der Lötmetallschicht 28a zwischen dem Leistungshalbleiterelement 4 und dem Metallblock 1 bestehen bleibt, nimmt der thermische Widerstand zu, und es ist nicht möglich, Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement 4 emittiert wird, effizient zu leiten. Daher wird ein Unterdruck von 1,3 kPa (10 Torr) oder weniger aufgebaut, wobei sich das Lötmetall in einem geschmolzenen Zustand befindet, so dass keine Lücken entstehen.
  • Dann wird der isolierende Metallblock 1 in die Leiterplatte 5 eingepasst, in der das Loch 14, in dem der isolierende Metallblock 3 aufgenommen werden kann, im Voraus gebildet wurde. Nun wird der isolierende Metallblock 3 mit einem Klebstoff 29 oder dergleichen befestigt, um mit der Leiterplatte 5 einstückig zu sein (2(e)).
  • Um anschließend eine Schaltung mit dem Leistungshalbleiterelement 4 und dem Schaltungsmuster 24 der Leiterplatte 5 zu bilden, werden sie durch den Aluminiumdraht 12 miteinander verbunden (3(a)). Der Aluminiumdraht 12 ist ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 125 bis 500 μm, und das Zusammenfügen erfolgt unter Verwendung von Ultraschallfügen. Ein Leiterrahmen oder bandförmiges Aluminium kann ebenfalls verwendet werden, um das Leistungshalbleiterelement 4 und das Schaltungsmuster 24 der Leiterplatte 5 zusammenzufügen.
  • Anschließend werden die diversen elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b durch Zusammenfügen mit dem Lötmetall 28a auf der Leiterplatte 5 montiert. Die Montage erfolgt normalerweise in einem Schmelzofen unter Verwendung von Weichlötmetall (3(b)). Dadurch wird die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53, in der die Leistungshalbleitereinheit 51 und die Leiterplatteneinheit 52 integriert sind, konfiguriert.
  • Schließlich wird die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53 über eine Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper 7 montiert, und das Gehäuse 8 wird aufgesetzt, wodurch der Leistungswandler 100 konfiguriert wird (3(c)).
  • Wie zuvor beschrieben, wird eine Isolierschicht aus Keramikmaterial, das mit einem Aerosolabscheidungsverfahren oder einem Plasmasprühverfahren erstellt wird, für die Wärme abgebende Isolierschicht 2 verwendet, die auf der Seite der unteren Oberfläche 1a (Rückseite) des Metallblocks 1 in dem Leistungswandler dieser Ausführungsform gebildet wird, wodurch die folgenden Vorteile erzielt werden.
  • (1) Verbesserung der Stehspannung
  • Bei einem Aerosolabscheidungsverfahren ist die Filmbildung auf Raumtemperatur (Umgebungstemperatur) möglich, und da feine Keramikteilchen im Submikrometerbereich veranlasst werden, mit dem Substrat auf einer Geschwindigkeit auf Schallgeschwindigkeitshöhe zusammenzustoßen, kombinieren sich die feinen Keramikteilchen, aus denen eine aktive, neue Oberfläche freigelegt wird. Dies gilt auch, wenn ein Plasmasprühverfahren angewendet wird. Mit beiden Verfahren ist es möglich, eine Schicht aus feinen Keramikteilchen zu bilden, die ein extrem dichter elektrisch isolierender Film ist, und da keine Löcher (Lücken) in dem Film enthalten sind, steigt die Durchschlagspannung pro Längeneinheit um etwa zehn Mal im Vergleich mit derjenigen einer Keramikplatte, die unter Verwendung eines bisher bekannten Sinterverfahrens gebildet wird.
  • (2) Reduzierung des thermischen Widerstands
  • Da die thermische Leitfähigkeit derjenigen von Schüttgut entspricht, ist es möglich, eine thermische Leitfähigkeit im Bereich von beispielsweise ungefähr 20 W/m·K für Aluminiumoxid (AL2O3), ungefähr 160 bis 180 W/m·K für Aluminiumnitrid (AlN) und ungefähr 80 W/m·K für Siliziumnitrid (Si3N4) sicherzustellen. Da zusätzlich dazu die Durchschlagspannung pro Längeneinheit zunimmt, ist es möglich, die Wärme abgebende Isolierschicht 2 dünn zu bilden, wodurch der gesamte thermische Widerstand abnimmt.
  • Gemäß den zuvor beschriebenen Punkten ist es möglich, sowohl eine hohe Isolierung als auch einen niedrigen thermischen Widerstand sicherzustellen.
  • Somit ist der Leistungswandler der vorliegenden Ausführungsform derart konfiguriert, dass die untere Oberfläche 1a (die Rückseite) des Metallblocks 1, auf dem das Leistungshalbleiterelement 4 montiert ist, über die Wärme abgebende Isolierschicht 2, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper 7 steht, weshalb es möglich ist, den thermischen Widerstand des unteren Teils des Leistungshalbleiterelements 4 ausreichend zu reduzieren, und der Leistungswandler somit bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweist.
  • Da der Leistungswandler der vorliegenden Ausführungsform nicht auf die zuvor beschriebene Konfiguration aus 1 eingeschränkt ist, ist es auch möglich, beispielsweise die Art der Konfiguration aus 4 zu übernehmen. 4 entspricht Schnittansichten, die eine andere Konfiguration des Leistungswandlers gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen. Bei einem Leistungswandler 100A, der in 4(b) gezeigt wird, wird eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53A dadurch gebildet, dass eine Leistungshalbleitereinheit 51A, die dadurch gebildet wird, dass das Leistungshalbleiterelement 4 auf einer oberen Oberfläche 1Ab eines Metallblocks 1A montiert ist, und eine Leiterplatteneinheit 52A, die dadurch gebildet wird, dass die elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b, die auf einer Leiterplatte 5A montiert sind, in der ein Loch 14A geöffnet ist, in das der Metallblock 1A aufgenommen werden kann, derart integriert sind, dass der Metallblock 1A in das Loch 14A passt. Die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53A ist an dem Kühlkörper 7 angebracht, so dass eine untere Oberfläche 1Aa des Metallblocks 1A mit der oberen Oberfläche 7a des Kühlkörpers 7 über eine Wärme abgebende Isolierschicht 2A in Kontakt kommt. Ferner ist das Gehäuse 8, das die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53A von oben abdeckt, an dem Kühlkörper 7 angebracht, wodurch der Leistungswandler 100A konfiguriert ist.
  • Bei dem Konfigurationsbeispiel aus 4 wird ein Isoliermetallblock 3A, bei dem die Wärme abgebende Isolierschicht 2A auf der Seite der unteren Oberfläche 1Aa des Metallblocks 1A gebildet ist, in 4(a) gezeigt, anstelle des isolierenden Metallblocks 3 aus dem Konfigurationsbeispiel von 1 verwendet. Ein Ausschnittteil 13 wird in einem Teil auf der Seite der oberen Oberfläche 1Ab eines seitlichen Oberflächenteils des Metallblocks 1A von einer Dicke d1 gebildet. Eine Länge d2 des Ausschnittteils 13 in der Dickenrichtung des Metallblocks 1A wird gemäß der Dickendimension der Leiterplatte 5A angepasst. Der isolierende Metallblock 3A kann dadurch gebildet werden, dass die Maske 30 auf den Metallblock 1A aufgetragen wird, und die Wärme abgebende Isolierschicht 2A kann dadurch gebildet werden, dass Keramikpulver unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens abgeschieden wird, wie bei dem Herstellungsverfahren, das in 2(b) bis 2(c) gezeigt wird.
  • Insbesondere wird als Wärme abgebende Isolierschicht 2A auf dem Metallblock 1A dabei eine Wärme abgebende Isolierschicht 2Aa des unteren Oberflächenteils auf der unteren Oberfläche 1Aa des Metallblocks 1A gebildet, und eine Wärme abgebende Isolierschicht 2Ab des seitlichen Oberflächenteils wird auf einem Teil einer seitlichen Oberfläche 1Ac auf der Seite der unteren Oberfläche 1Aa eines seitlichen Oberflächenteils des Metallblocks 1 gebildet. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2Ab des seitlichen Oberflächenteils wird gebildet, um neben der Wärme abgebenden Isolierschicht 2Aa des unteren Oberflächenteils zu liegen.
  • Ferner ist es möglich, den Leistungswandler 100A, der in 4(b) gezeigt wird, wie bei dem Herstellungsverfahren, das in 2(d) bis 3(c) gezeigt wird, zu konfigurieren.
  • Ein Loch 14A, in dem der Metallblock 1A mit dem Ausschnittteil 13 aufgenommen werden kann, ist in der Leiterplatte 5A gebildet, der isolierende Metallblock 3A wird in das Loch 14A der Leiterplatte 5A von der Seite der unteren Oberfläche 502 der Leiterplatte 5A aus eingepasst, und der isolierende Metallblock 3A wird mit dem Klebstoff 29 oder dergleichen befestigt, um mit der Leiterplatte 5A einstückig zu sein.
  • Zweite Ausführungsform
  • 5 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration eines Leistungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In 5 wird eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53B dadurch konfiguriert, dass eine Leistungshalbleitereinheit 51B, die dadurch gebildet wird, dass das Leistungshalbleiterelement 4, wie etwa ein IGBT (Bipolartransistor mit Gate-Elektrode), auf einer oberen Oberfläche 1Bb eines Metallblocks 1B, der eine obere Oberfläche 1Bb und eine untere Oberfläche 1Ba aufweist, montiert ist, und eine Leiterplatteneinheit 52B, die dadurch gebildet wird, dass die elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b auf einer Leiterplatte 5B montiert sind, in der ein Durchkontaktteil 27 gebildet ist, das ein Loch 27d aufweist, in dem der Metallblock 1B aufgenommen werden kann, derart integriert sind, dass der Metallblock 1B in das Loch 27d passt. Nachstehend werden die obere Oberfläche 1Bb und die untere Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B jeweils auch als „Vorderseite 1Bb” und „Rückseite 1Ba” bezeichnet.
  • Die Leiterplatte 5B ist derart gestaltet, dass das Schaltungsmuster 24, beispielsweise aus Kupferfolie, auf dem elektrischen Isoliersubstrat-Hauptkörper 23 gebildet ist, der beispielsweise aus Glasepoxid (einem Epoxidharz, das mit Glasfasern verstärkt ist) konfiguriert ist. Ein Durchgangsloch wird in dem Substrathauptkörper 23 bereitgestellt, und eine Leiterschicht, beispielsweise aus Kupferfolie, wird einstückig mit der inneren Umfangsfläche des Durchgangslochs und den Umfangsrandteilen des Durchgangslochs auf der oberen Oberfläche 501 und der unteren Oberfläche 502 des Substrathauptkörpers 23 bereitgestellt, wodurch ein Leiterteil des Durchkontaktteils 27 gebildet wird. Dabei ist der Teil der Leiterschicht, der auf der inneren Umfangsfläche des Durchgangslochs bereitgestellt wird, ein Durchleiterteil 27a, während die Teile der Leiterschicht, die auf den Umfangsrandteilen des Durchgangslochs auf der oberen Oberfläche 501 und der unteren Oberfläche 502 des Substrathauptkörpers 23 bereitgestellt werden, jeweils ein Kontaktleiterteil 27b der oberen Oberfläche und ein Kontaktleiterteil 27c der unteren Oberfläche sind. In dem Durchleiterteil 27a ist das Loch 27d gemäß der Form des Metallblocks 1B, wie etwa quadratisch oder rechteckig, gebildet. Nachstehend werden die obere Oberfläche 501 und die untere Oberfläche 502 des Substrathauptkörpers 23 jeweils auch als „Vorderseite 501” und „Rückseite 502” bezeichnet. Auch ist die obere Oberfläche 501 des Substrathauptkörpers 23 eine Bauteilmontagefläche.
  • Ein Keramikmaterial wird als Wärme abgebende Isolierschicht 2B direkt auf der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich desselben gebildet, d. h. auf der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich des Metallblocks 1B auf der Seite der unteren Oberfläche 502 der Leiterplatte 5B. Die Konfiguration aus 5 ist derart gestaltet, dass der Umfangsbereich des Metallblocks 1B auf der Seite der unteren Oberfläche 502 der Leiterplatte 5B, auf der die Wärme abgebende Isolierschicht 2B gebildet ist, die Kontaktfläche des Kontaktleiterteils 27c der unteren Oberfläche des Durchkontaktteils 27 ist.
  • Die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53B ist derart an dem Kühlkörper 7 angebracht, dass die untere Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B mit der oberen Oberfläche 7a des Kühlkörpers 7 über die Wärme abgebende Isolierschicht 2B in Kontakt kommt. Ferner ist das Gehäuse 8, das die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53B von oben abdeckt, an dem Kühlkörper 7 angebracht, wodurch der Leistungswandler 100B konfiguriert wird.
  • Der Leistungswandler 100B ist derart gestaltet, dass eine Hauptschaltung durch das Leistungshalbleiterelement 4 konfiguriert wird, das auf der oberen Oberfläche 1Bb des Metallblocks 1B montiert ist, während andere Energieversorgungsschaltungen und Regelschaltungen durch die elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b konfiguriert werden, die auf der Leiterplatte 5B montiert sind. Diverse Arten von Bauteilen, wie etwa eine IC, eine LSI, ein Widerstand, ein Kondensator und eine Drosselspule, werden als elektronische Schaltungsbauteile 6a und 6b verwendet.
  • Der Leistungswandler 100B ist derart gestaltet, dass zum Bilden einer Schaltung mit dem Leistungshalbleiterelement 4 und dem Schaltungsmuster 24 der Leiterplatte 5B, beide durch den Aluminiumdraht 12 miteinander verbunden sind, wie in 5 gezeigt.
  • Da der Leistungswandler 100B somit derart gestaltet ist, dass die Leistungshalbleitereinheit 51B, bei der das Leistungshalbleiterelement 4 auf der oberen Oberfläche 1Bb des Metallblocks 1B montiert ist, und die Leiterplatteneinheit 52B, bei der die elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b auf der Leiterplatte 5B montiert sind, derart integriert sind, dass der Metallblock 1B in das Loch 27d der Leiterplatte 5B passt, ist es nicht notwendig, nur einen Hauptschaltungsteil, der durch ein Leistungshalbleiterelement gebildet wird, in einem unabhängigen Gehäuse aufzunehmen, wie bei einem zuvor bekannten Leistungshalbleitermodul, und es ist möglich, das Leistungshalbleiterelement 4 und das Schaltungsmuster 24 der Leiterplatte 5B direkt durch den Aluminiumdraht 12 oder dergleichen zu verbinden, wodurch es möglich ist, die Kapazität als Leistungswandler im Vergleich mit der bisher bekannten zu reduzieren.
  • Auch ist der Leistungswandler 100B derart gestaltet, dass der Metallblock 1B aus Kupfer, einem Metallmaterial mit guter elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, konfiguriert ist, und der Metallblock 1B über hohe Wärmekapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften verfügt, weil seine Dicke im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm liegt.
  • Wie es ferner nachstehend beschrieben wird, ist der Leistungswandler 100B derart gestaltet, dass die Wärme abgebende Isolierschicht 2B auf der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich desselben aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid, gebildet ist. Es wird bevorzugt, dass die Wärmeleitzahl der Wärme abgebenden Isolierschicht 2B von 1 bis 200 W/m·K beträgt, und bevorzugt, dass die Dicke von 10 bis 500 μm beträgt.
  • Da der Leistungswandler 100B somit derart konfiguriert ist, dass die untere Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und ein Umfangsbereich desselben, auf dem das Leistungshalbleiterelement 4 montiert ist und der eine hohe thermische Kapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweist, in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper 7 über die Wärme abgebende Isolierschicht 2B steht, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, ist es möglich, den thermischen Widerstand des unteren Teils des Leistungshalbleiterelements 4 ausreichend zu reduzieren, und der Leistungswandler 100B weist somit bessere Wärmeabgabeeigenschaften auf.
  • Ein Konfigurationsbeispiel, bei dem zwei der Leistungshalbleiterelemente 4 auf dem Metallblock 1B montiert sind, wird in 5 gezeigt, doch die Anzahl der Leistungshalbleiterelemente 4, die auf dem Metallblock 1B montiert sind, kann gleich eins oder kann gleich drei oder mehr sein.
  • Da das Metallmaterial, das den Metallblock 1B bildet, auch nicht auf Kupfer eingeschränkt ist, kann man auch eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen anwenden.
  • Man kann auch Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen als Metallmaterial, das den Kühlkörper 7 bildet, anwenden.
  • Im Anschluss wird eine Beschreibung mit Bezug auf 5 eines Verfahrens zum Herstellen des Leistungswandlers 100B angegeben. 6 und 7 sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • Zuerst wird der Metallblock 1B angefertigt, indem eine Kupferplatte im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm durch Stanzen zu einem Quadrat oder Rechteck ausgestanzt wird (6(a)).
  • Dann wird die Leiterplatte 5B dadurch konfiguriert, dass das Schaltungsmuster 24, beispielsweise aus Kupferfolie, auf dem elektrischen Isoliersubstrat-Hauptkörper 23, der beispielsweise aus Glasepoxid konfiguriert wird, gebildet wird, und das Durchkontaktteil 27, das den Durchleiterteil 27a, den Kontaktleiterteil 27b der oberen Oberfläche und den Kontaktleiterteil 27c der unteren Oberfläche umfasst, jeweils beispielsweise aus Kupferfolie, gebildet wird (6(b)). Das Loch 27d des Durchkontaktteils 27 weist eine derartige Form auf, dass es möglich ist, den Metallblock 1B darin aufzunehmen.
  • Dann wird der Metallblock 1B in das Loch 27d des Durchkontaktteils 27 der Leiterplatte 5B eingefügt und durch Zusammenfügen mit einem Lötmetall 28b befestigt (6(c)) Nun kann das Befestigen in Verbindung mit einem Klebstoff oder dergleichen erfolgen, um die Fügekraft zwischen der Leiterplatte 5B und dem Metallblock 1B weiter zu verstärken.
  • Dann wird das Leistungshalbleiterelement 4 auf dem Metallblock 1B durch Zusammenfügen mit dem Lötmetall 28a montiert, und die diversen elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b werden auf die Leiterplatte 5B durch Zusammenfügen mit dem Lötmetall 28a montiert (6(d)). Diese Montagen erfolgen normalerweise in einem Schmelzofen unter Verwendung eines Weichlötmetalls. Ein Hochtemperatur-Lötmetall aus SnPbAg, ein bleifreies Lötmetall aus einer SnAgCu-Gruppe oder dergleichen wird als Lötmaterial verwendet. Die Löttemperatur wird gemäß dem Schmelzpunkt des Lötmetalls eingestellt. Für den Fall, dass eine Lücke in der Lötmetallschicht 28a verbleibt, die das Leistungshalbleiterelement 4 und den Metallblock 1B zusammenfügt, nimmt der thermische Widerstand zu, und es ist nicht möglich, Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement 4 emittiert wird, effizient zu leiten. Daher wird ein Unterdruck von 1,3 kPa (10 Torr) oder weniger aufgebaut, wobei sich das Lötmetall in einem geschmolzenen Zustand befindet, so dass keine Lücken entstehen.
  • Um auch eine Schaltung mit dem Leistungshalbleiterelement 4 und dem Schaltungsmuster 24 der Leiterplatte 5B zu bilden, werden diese durch den Aluminiumdraht 12 miteinander verbunden. Der Aluminiumdraht 12 ist ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 125 bis 500 μm, und das Zusammenfügen erfolgt unter Verwendung von Ultraschallfügen. Ein Leiterrahmen oder bandförmiges Aluminium kann ebenfalls verwendet werden, um das Leistungshalbleiterelement 4 und das Schaltungsmuster 24 der Leiterplatte 5 zusammenzufügen.
  • Dann wird eine Maske 30A aufgetragen, und die Wärme abgebende Isolierschicht 2B wird auf der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich desselben durch Abscheiden von Keramikpulver 31 unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet (6(e) bis 7(a)).
  • Wenn die Wärme abgebende Isolierschicht 2B auf der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich desselben gebildet wird, beispielsweise unter Verwendung eines Plasmasprühverfahrens unter den Sprühverfahren, wird eine Art oder werden mehrere Arten von Keramikpulver aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid verwendet. In einer Umgebung mit atmosphärischem Druck oder reduziertem Druck erfolgt das Sprühen auf der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich desselben durch die Maske 30A hindurch, wodurch die Wärme abgebende Isolierschicht 2B abgeschieden wird. Die Dicke der Wärme abgebenden Isolierschicht 2B kann durch Regeln der Sprühdauer reguliert werden. Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Wärme abgebenden Isolierschicht 2B von 10 bis 500 μm beträgt.
  • Der Formbereich der Wärme abgebenden Isolierschicht 2B ist derart gestaltet, dass die Wärme abgebende Isolierschicht 2B gebildet wird, so dass die gesamte freigelegte Oberfläche auf der Seite der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B abgedeckt ist. Da der Durchkontaktteil 27 aus Kupfer besteht, wird die Wärme abgebende Isolierschicht 2B auch auf der Kontaktfläche des Kontaktleiterteils 27c der unteren Oberfläche des Durchkontaktteils 27 gebildet und deckt diese ab, wodurch der Metallblock 1B und der Durchkontaktteil 27 gegenüber dem Kühlkörper 7, der in einem nachfolgenden Schritt angebracht wird, elektrisch isoliert sind. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2B, die auf der freigelegten Oberfläche auf der Seite der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B gebildet wird, und die Wärme abgebende Isolierschicht 2B, die auf der Kontaktfläche des Kontaktleiterteils 27c der unteren Oberfläche des Durchkontaktteils 27 gebildet wird, werden derart gebildet, dass die Isolierschichten nebeneinander liegen. Obwohl die Wärme abgebende Isolierschicht 2B auch nicht auf einem Endteil der seitlichen Oberfläche des Kontaktleiterteils 27c der unteren Oberfläche des Durchkontaktteils 27 gebildet ist, wobei der Endteil der seitlichen Oberfläche eine freigelegte Oberfläche bildet, wird eine Isolierbeschichtung auf diesen Teil aufgetragen, indem eine nicht gezeigte Harzbeschichtung aufgetragen wird.
  • Die Wärme abgebende Isolierschicht 2B, die wie zuvor beschrieben gebildet wird, weist als Isoliercharakteristiken beispielsweise eine Wechselstrom-Durchschlagspannung von 5 kV oder mehr bei einer Dicke von 200 μm auf, und kann auch in einem Leistungselement mit einer Stehspannungsnennleistung von 1200 V verwendet werden.
  • Nun wird eine Beschreibung eines Falls angegeben, bei dem die Wärme abgebende Isolierschicht 2B auf der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich desselben unter Verwendung eines Aerosolabscheidungsverfahrens abgeschieden wird. Wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, ist ein Aerosolabscheidungsverfahren eine Technologie, bei der ein Rohmaterial mit feinen Teilchen oder ultrafeinen Teilchen als Aerosol vernebelt wird, indem es mit einem Gas vermischt wird, und anhand einer Düse eine Beschichtung auf einem Substrat gebildet wird. Als Gas wird Helium oder Luft verwendet. Eine Vorrichtung kann aus einer nicht gezeigten Aerosolkammer und Filmabscheidungskammer konfiguriert sein. Der Druck in der Filmabscheidungskammer wird anhand einer Vakuumpumpe auf ungefähr 50 Pa bis 1 kPa reduziert. Ein Material mit feinen Teilchen oder ultrafeinen Teilchen, bei dem es sich um das Rohmaterial handelt, wird als Aerosol vernebelt, indem es bewegt und in einem getrockneten Zustand mit dem Gas in der Aerosolkammer vermischt wird, durch eine Strömung des Gases, die auf Grund einer Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern auftritt, in die Filmabscheidungskammer befördert, beschleunigt, indem es durch eine schlitzförmige Düse gegeben wird, und auf die untere Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einen Umfangsbereich desselben, welcher der Gegenstand der Filmabscheidung ist, gesprüht. Ein Keramikpulver, das mechanisch auf einen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 2 μm versprüht wird, wird für die feinen Teilchen des Rohmaterials verwendet. Die gasgetragenen ultrafeinen Teilchen werden auf mehrere hundert Meter pro Sekunde beschleunigt, indem sie durch eine Düse mit einer winzigen Öffnung im Innern der druckreduzierten Kammer gegeben werden. Da die Geschwindigkeit der Filmabscheidung und die Dichte des filmbildenden Materials stark von dem Teilchendurchmesser, dem Ausflockungszustand, dem Trockenzustand und dergleichen der verwendeten feinen Keramikteilchen abhängig sind, wird ein Desintegrator für ausgeflockte Teilchen oder eine Sortiervorrichtung zwischen der Aerosolkammer und der Filmabscheidungskammer verwendet.
  • Um ferner die Wärme abgebende Isolierschicht 2B als Film zu bilden, werden feine Keramikteilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,1 bis 2 μm mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat gesprüht und durch die Kollisionsenergie zu mikrokristallinen Teilchen von ungefähr 10 bis 30 nm zerkleinert zu dem Zeitpunkt, zu dem die Oberfläche dadurch aktiviert wird, dass sich eine neue Oberfläche bildet und die Teilchen kombiniert werden, wodurch sich ein Keramikfilm mit einer dichten nanokristallinen Struktur bildet. Die Bildung ist auch auf Umgebungstemperatur ohne besondere Anwendung von Wärme möglich.
  • Es wird bevorzugt, dass eines von Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid mit einem Teilchendurchmesser im Bereich von 0,1 bis 2 μm für die feinen Teilchen der Aerosolabscheidung verwendet wird. Um die notwendige Filmdicke zu erzielen, werden die feinen Teilchen eine vorbestimmte Zeit lang unter Verwendung der Maske 30 gesprüht, wodurch sie die Isolierschicht 2B bilden, die in 6(e) bis 7(a) gezeigt wird.
  • Dabei kann eine Aluminiumoxidbeschichtung, die auf einem Füllstoff aus Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid gebildet wird, oder eine Siliziumoxidbeschichtung, die auf einem Füllstoff aus Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid gebildet wird, ebenfalls als feine Teilchen aufgetragen werden. Durch die Verwendung dieser feinen Teilchen ist es möglich, eine Wärme abgebende Isolierschicht 2B zu bilden, bei der zwei oder mehrere Arten von Keramik kombiniert werden.
  • Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Wärme abgebenden Isolierschicht 2B wie bei dem Sprühverfahren von 10 bis 500 μm beträgt. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2B, die wie zuvor beschrieben gebildet wird, weist eine Wechselstrom-Durchschlagspannung von 5 kV oder mehr bei einer Dicke von 200 μm auf und kann auch in einem Leistungselement mit einer Stehspannungsnennleistung von 1200 V verwendet werden.
  • Schließlich wird die Leistungswandlungs-Schaltungseinheit 53B, bei der die Leistungshalbleitereinheit 51B und die Leiterplatteneinheit 52B integriert sind und die Wärme abgebende Isolierschicht 2B auf der unteren Oberfläche 1Ba des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich desselben gebildet ist, mittels einer Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper 7 montiert, und das Gehäuse 8 wird aufgesetzt, wodurch der Leistungswandler 100B konfiguriert wird (7(b)).
  • Wie zuvor beschrieben, wird eine Isolierschicht aus Keramikmaterial, die mit einem Aerosolabscheidungsverfahren oder Plasmasprühverfahren gebildet wird, für die Wärme abgebende Isolierschicht 2B verwendet, die auf der unteren Oberfläche 1Ba (Rückseite) des Metallblocks 1B und einem Umfangsbereich desselben bei dem Leistungswandler der vorliegenden Ausführungsform gebildet wird, weshalb die folgenden Vorteile erzielt werden.
  • (1) Verbesserung der Stehspannung
  • Bei einem Aerosolabscheidungsverfahren ist die Filmbildung auf Raumtemperatur (Umgebungstemperatur) möglich, und da feine Keramikteilchen im Submikrometerbereich veranlasst werden, mit dem Substrat auf einer Geschwindigkeit auf Schallgeschwindigkeitshöhe zusammenzustoßen, kombinieren sich die feinen Keramikteilchen, aus denen eine aktive, neue Oberfläche freigelegt wird. Dies gilt auch, wenn ein Plasmasprühverfahren angewendet wird. Mit beiden Verfahren ist es möglich, eine Schicht aus feinen Keramikteilchen zu bilden, die ein extrem dichter elektrisch isolierender Film ist, und da keine Löcher (Lücken) in dem Film enthalten sind, steigt die Durchschlagspannung pro Längeneinheit um etwa zehn Mal im Vergleich mit derjenigen einer Keramikplatte, die unter Verwendung eines bisher bekannten Sinterverfahrens gebildet wird.
  • (2) Reduzierung des thermischen Widerstands
  • Da die thermische Leitfähigkeit derjenigen von Schüttgut entspricht, ist es möglich, eine thermische Leitfähigkeit im Bereich von beispielsweise ungefähr 20 W/m·K für Aluminiumoxid (AL2O3), ungefähr 160 bis 180 W/m·K für Aluminiumnitrid (AlN) und ungefähr 80 W/m·K für Siliziumnitrid (Si3N4) sicherzustellen. Da zusätzlich dazu die Durchschlagspannung pro Längeneinheit zunimmt, ist es möglich, die Wärme abgebende Isolierschicht 2B dünn zu bilden, wodurch der gesamte thermische Widerstand abnimmt.
  • Gemäß den zuvor beschriebenen Punkten ist es möglich, sowohl eine hohe Isolierung als auch einen niedrigen thermischen Widerstand sicherzustellen.
  • Somit ist der Leistungswandler der vorliegenden Ausführungsform derart konfiguriert, dass die untere Oberfläche 1Ba (die Rückseite) des Metallblocks 1B, auf dem das Leistungshalbleiterelement 4 montiert ist, und ein Umfangsbereich desselben über die Wärme abgebende Isolierschicht 2B, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper 7 stehen, weshalb es möglich ist, den thermischen Widerstand des unteren Teils des Leistungshalbleiterelements 4 ausreichend zu reduzieren, und der Leistungswandler wie der Leistungswandler der ersten Ausführungsform somit bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweist.
  • Da der Leistungswandler der vorliegenden Ausführungsform auch nicht auf die zuvor beschriebene Konfiguration aus 5 eingeschränkt ist, ist es auch möglich, beispielsweise die Art der Konfiguration aus 8 zu übernehmen. 8 entspricht Schnittansichten, die eine andere Konfiguration des Leistungswandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen. Bei einem Leistungswandler 100C, der in 8(b) gezeigt wird, wird eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53C dadurch konfiguriert, dass eine Leistungshalbleitereinheit 51C, die dadurch gebildet wird, dass das Leistungshalbleiterelement 4 auf einer oberen Oberfläche 1Cb eines Metallblocks 1C montiert ist, und eine Leiterplatteneinheit 52C, die dadurch gebildet wird, dass die elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b auf einer Leiterplatte 5C, in der das Durchkontaktteil 27 gebildet ist, welches das Loch 27d aufweist, in dem der Metallblock 1C aufgenommen werden kann, montiert sind, derart integriert sind, dass der Metallblock 1C in das Loch 27d passt. Die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53C ist an dem Kühlkörper 7 derart angebracht, dass eine untere Oberfläche 1Ca des Metallblocks 1C über eine Wärme abgebende Isolierschicht 2C in Kontakt mit der oberen Oberfläche 7a des Kühlkörpers 7 kommt. Ferner ist das Gehäuse 8, das die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53C von oben abdeckt, an dem Kühlkörper 7 angebracht, wodurch der Leistungswandler 100C konfiguriert wird.
  • Bei dem Konfigurationsbeispiel aus 8 wird der Metallblock 1C, der in 8(a) gezeigt wird, anstelle des Metallblocks 1B bei dem Konfigurationsbeispiel aus 5 verwendet. Der Ausschnittteil 13 wird in einem Teil auf einer Seite der oberen Oberfläche 1Cb eines seitlichen Oberflächenteils des Metallblocks 1C der Dicke d1 gebildet. Die Länge d2 des Ausschnittteils 13 in der Dickenrichtung des Metallblocks 1C wird gemäß der Dickendimension der Leiterplatte 5C in dem Durchkontaktteil 27 angepasst. Auch weist das Loch 27d in dem Durchkontaktteil 27 der Leiterplatte 5C eine derartige Form auf, dass der Teil der Länge d2 auf der Seite der oberen Oberfläche 1Cb des Metallblocks 1C darin aufgenommen werden kann.
  • Durch die Verwendung des Metallblocks 1C und der Leiterplatte 5C, die wie zuvor beschrieben konfiguriert sind, ist es möglich, den Leistungswandler 100C, der in 8(b) gezeigt wird, wie mit dem Herstellungsverfahren, das in 6(c) bis 7(b) gezeigt wird, zu konfigurieren.
  • Dritte Ausführungsform
  • 9 entspricht Schnittansichten, die Konfigurationen eines Leistungswandlers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen, wobei zwei verschiedene Konfigurationsbeispiele in 9(a) und 9(b) gezeigt werden.
  • Ein Leistungswandler gemäß einer dritten Ausführungsform ist derart gestaltet, dass der Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform insbesondere einen Relaiselektroden-Isolierfilm, der dadurch gebildet wird, dass ein Keramikmaterial direkt auf einen Teil der oberen Oberfläche eines Metallblocks abgeschieden wird, der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, und eine Relaiselektrode, die dadurch gebildet wird, dass ein Metallmaterial auf der oberen Oberfläche des Relaiselektroden-Isolierfilms abgeschieden wird, umfasst, dass ein Bonddraht oder dergleichen von einem Leistungshalbleiterelement, das auf der oberen Oberfläche des Metallblocks montiert ist, mit der Relaiselektrode zusammengefügt wird, und die Relaiselektrode und ein Schaltungsmuster einer Leiterplatte durch den Bonddraht oder dergleichen zusammengefügt werden, während der Leistungswandler ansonsten der gleiche ist wie der Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Bei einem Leistungswandler 100D, der in 9(a) gezeigt wird, umfasst eine Leistungshalbleitereinheit 51D einen Metallblock 1D, der eine obere Oberfläche 1Da und eine untere Oberfläche 1Db aufweist, eine Wärme abgebende Isolierschicht 2D, die derart gebildet ist, dass sie die untere Oberfläche 1Da des Metallblocks 1D und einen Teil einer seitlichen Oberfläche 1Dc, die daneben liegt, abdeckt, eine Relaiselektroden-Isolierschicht 42, die auf einem Teil der oberen Oberfläche 1Db des Metallblocks 1D gebildet ist, eine Relaiselektrode 41, die auf der oberen Oberfläche der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 gebildet ist, und das Leistungshalbleiterelement 4, das durch das Lötmetall 28a mit der oberen Oberfläche 1Db des Metallblocks 1 zusammengefügt wird, und ein Bonddraht 43a von dem Leistungshalbleiterelement 4 wird mit der Relaiselektrode 41 zusammengefügt. Ferner sind die Relaiselektrode 41 der Leistungshalbleitereinheit 51D und das Schaltungsmuster 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 einer Leiterplatte 5D durch einen Bonddraht 43b verbunden. In 9(a) wird zur einfacheren Beschreibung angenommen, dass der Bonddraht, der das Leistungshalbleiterelement 4 und die Relaiselektrode 41 verbindet, die Nummer 43a ist, während der Bonddraht, der die Relaiselektrode 41 und das Schaltungsmuster 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5D verbindet, die Nummer 43b ist. Nachstehend werden die obere Oberfläche 1Db und die untere Oberfläche 1Da des Metallblocks 1D jeweils auch als „Vorderseite 1Db” und „Rückseite 1Da” bezeichnet.
  • Obwohl eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53D dadurch konfiguriert ist, dass die Leistungshalbleitereinheit 51D und die Leiterplatteneinheit 52D ebenfalls in den Leistungswandler 100D integriert sind, ist die Konfiguration der Leiterplatteneinheit 5D, bei der die elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b auf der Leiterplatte 5D montiert sind, die gleiche wie die der Leiterplatteneinheit 52 in dem Leistungswandler 100.
  • Die Leistungshalbleitereinheit 51D ist derart gestaltet, dass der Metallblock 1D aus Kupfer, einem Metallmaterial mit guter elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, konfiguriert ist, und der Metallblock 1 über hohe Wärmekapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften verfügt, weil seine Dicke im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm liegt.
  • Ferner ist die Leistungshalbleitereinheit 51D derart, dass die Wärme abgebende Isolierschicht 2D, die auf der Seite der unteren Oberfläche 1Da des Metallblocks 1D gebildet ist, aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid, gebildet ist. Es wird bevorzugt, dass die Wärmeleitzahl der Wärme abgebenden Isolierschicht 2D von 1 bis 200 W/m·K beträgt, und bevorzugt, dass die Dicke von 10 bis 500 μm beträgt.
  • Da somit die Leistungshalbleitereinheit 51D derart gestaltet ist, dass die Wärme abgebende Isolierschicht 2D, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, auf der Seite der unteren Oberfläche 1Da des Metallblocks 1D gebildet ist, auf dessen Seite der oberen Oberfläche 1Db das Leistungshalbleiterelement 4 montiert ist und der eine hohe thermische Kapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweist, ist es möglich, den thermischen Widerstand des unteren Teils des Leistungshalbleiterelements 4 ausreichend zu reduzieren, weil die untere Oberfläche 1Da über die Wärme abgebende Isolierschicht 2D direkt in Kontakt mit dem Kühlkörper 7 steht und somit bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweisen kann.
  • Ein Konfigurationsbeispiel, bei dem ein Leistungshalbleiterelement 4 auf dem Metallblock 1D montiert ist, wird in 9(a) gezeigt, doch die Anzahl der Leistungshalbleiterelemente 4, die auf dem Metallblock 1D montiert sind, kann gleich zwei sein oder kann gleich drei oder mehr sein. Da das Metallmaterial, das den Metallblock 1D bildet, auch nicht auf Kupfer eingeschränkt ist, kann man auch eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen anwenden.
  • Auch ist die Leistungshalbleitereinheit 51D derart gestaltet, dass die Relaiselektroden-Isolierschicht 42, die auf der Seite der oberen Oberfläche 1Db des Metallblocks 1D gebildet ist, ebenfalls aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid, gebildet ist. Es wird bevorzugt, dass die Wärmeleitzahl der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 von 1 bis 200 W/m·K beträgt, und bevorzugt, dass die Dicke von 10 bis 500 μm beträgt.
  • Ferner wird die Relaiselektrode 41, die auf der oberen Oberfläche der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 gebildet ist, aus einem Metallmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Kupfer, gebildet. Da das Metallmaterial, das die Relaiselektrode 41 bildet, auch nicht auf Kupfer eingeschränkt ist, kann man auch eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen anwenden.
  • Dann unterscheidet sich ein Leistungswandler 100E, der in 9(b) gezeigt wird, von dem Leistungswandler 100D, der in 9(a) gezeigt wird, dadurch, dass das Leistungshalbleiterelement 4 und die Relaiselektrode 41 durch einen Leiterrahmen 44a verbunden sind, und die Relaiselektrode 41 und das Schaltungsmuster 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 einer Leiterplatte 5E durch einen Leiterrahmen 44b verbunden sind, wobei sie ansonsten gleich sind. Nachstehend wird eine Beschreibung hauptsächlich des Leistungswandlers 100D, der in 9(a) gezeigt wird, angegeben.
  • 10, die ein Diagramm ist, das schematisch die Wärmeströmung in einem Leistungswandler gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, zeigt eine Schnittstruktur eines Teils des Leistungswandlers 100D, der in 9(a) gezeigt wird. In 10 ist die Leistungshalbleitereinheit 51D auf einer oberen Oberfläche 7c des Kühlkörpers 7 montiert, so dass die Wärme abgebende Isolierschicht 2D damit in Kontakt kommt, und die Relaiselektrode 41 ist durch den Bonddraht 43b mit dem Schaltungsmuster 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5D verbunden.
  • In 10 ist eine Konfiguration, bei der beispielsweise ein IGBT als Leistungshalbleiterelement 4 in der Leistungshalbleitereinheit 51D montiert ist, derart gestaltet, dass eine Kollektorelektrode auf der Rückseite des IGBT mit der oberen Oberfläche 1Db des Metallblocks 1D zusammengefügt ist, während eine Emitter-Elektrode und eine Gate-Elektrode, die auf der Vorderseite des IGBT gebildet sind, jeweils durch den Bonddraht 43a mit der Relaiselektrode 41 verbunden sind.
  • In 10 wird die Wärmeströmung, wenn das Leistungshalbleiterelement 4 in der Leistungshalbleitereinheit 51D im Betrieb Wärme generiert, schematisch durch die weißen Pfeile h1 bis h4 gezeigt. Die Breiten der weißen Pfeile h1 bis h4 geben qualitativ die strömende Wärmemenge an. In 10 wird nur die Wärmeströmung gezeigt, die von dem Leistungshalbleiterelement 4 entlang dem linken Bonddraht 43a strömt.
  • In 10 wird Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement 4 in der Leistungshalbleitereinheit 51D im Betrieb generiert wird, von dem Leistungshalbleiterelement 4 anhand der Lötmetallschicht 28a, des Metallblocks 1D und der Wärme abgebenden Isolierschicht 2D auf den Kühlkörper 7 übertragen und wird auch von dem Leistungshalbleiterelement 4 anhand des Bonddrahts 43a auf die Seite des Schaltungsmusters 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5D übertragen. Der Leistungswandler 100D umfasst jedoch die Relaiselektrode 41, die über die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 auf dem Metallblock 1D gebildet ist, und durch den Bonddraht 43a von dem Leistungshalbleiterelement 4, das mit der Relaiselektrode 41 verbunden ist, ist das Leistungshalbleiterelement 4 mit dem Schaltungsmuster 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5D anhand des separaten Bonddrahts 43b von der Relaiselektrode 41 verbunden. Deshalb ist der Leistungswandler 100D derart gestaltet, dass der größere Teil der Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement 4 anhand des Bonddrahts 43a strömt, anhand der Relaiselektrode 41, der Relaiselektroden-Isolierschicht 42, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, und des Metallblocks 1D auf den Kühlkörper 7 übertragen wird, während die Wärmemenge, die von der Relaiselektrode 41 anhand des Bonddrahts 43b an die Seite des Schaltungsmusters 24 der Leiterplatte 5D übertragen wird, ausreichend klein gehalten wird. Deshalb ist es möglich, die Wärmemenge zu unterdrücken, die auf die Seite des Leiterplattenteils 52D übertragen wird, und somit möglich, die Erwärmung der Leiterplatte 5D, des elektronischen Schaltungsbauteils 6a und dergleichen, die den Leiterplattenteil 52D bilden, wirksam zu unterdrücken.
  • Auch kann die vorstehend beschriebene Art von Leistungswandler 100D die Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement 4 im Betrieb generiert wird, effizient an den Metallblock 1D unter Verwendung von zwei Wärmeübertragungswegen, einem ersten Wärmeübertragungsweg von dem Leistungshalbleiterelement 4 anhand der Lötmetallschicht 28a auf den Metallblock 1D und einem zweiten Wärmeübertragungsweg von dem Leistungshalbleiterelement 4 anhand des Bonddrahts 43a, der Relaiselektrode 41 und der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 auf den Metallblock 1D übertragen, wie in 10 gezeigt, weshalb die Funktion des Metallblocks 1D, der eine hohe Wärmekapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweist, wirksamer ausgeführt wird.
  • Somit ist der Leistungswandler gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung derart gestaltet, dass von der Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement der Leistungshalbleitereinheit im Betrieb generiert wird, die Wärmemenge, die an die Seite der Leiterplatteneinheit übertragen wird, die an die Leistungshalbleitereinheit angeschlossen ist, unterdrückt wird, wodurch es möglich ist, die Erwärmung der Leiterplatte und dergleichen wirksam zu unterdrücken, und somit möglich ist, die Wärmeabgabeeigenschaften des Leistungswandlers weiter zu verbessern.
  • Im Anschluss wird eine Beschreibung mit Bezug auf 11 bis 13 eines Verfahrens zum Herstellen des Leistungswandlers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung angegeben. 11 bis 13 sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • Zuerst wird der Metallblock 1 dadurch angefertigt, dass eine Kupferplatte im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm durch Stanzen zu einem Quadrat oder Rechteck ausgestanzt wird (11(a)).
  • Dann wird die Maske 30 aufgetragen, und die Wärme abgebende Isolierschicht 2D wird auf der Seite der unteren Oberfläche 1Da des Metallblocks 1D durch Abscheiden von Keramikpulver, wie etwa Aluminiumoxidpulver, unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet. Als Wärme abgebende Isolierschicht 2D wird eine Wärme abgebende Isolierschicht 2Da des unteren Oberflächenteils auf der unteren Oberfläche 1Da des Metallblocks 1D gebildet, und eine Wärme abgebende Isolierschicht 2Db des seitlichen Oberflächenteils wird auf einem Teil der seitlichen Oberfläche 1Dc des Metallblocks 1D gebildet. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2Db des seitlichen Oberflächenteils wird gebildet, um neben der Wärme abgebenden Isolierschicht 2Da des unteren Oberflächenteils zu liegen (11(b) bis 11(c)). Das Material der feinen Keramikteilchen, das bei der Bildung der Wärme abgebenden Isolierschicht 2D verwendet wird, und das Verfahren zum Bilden der Isolierschicht sind die gleichen wie für die Wärme abgebende Isolierschicht 2, die in 2(b) und 2(c) abgebildet sind, sowohl im Fall des Sprühverfahrens als auch des Aerosolabscheidungsverfahrens.
  • Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Wärme abgebenden Isolierschicht 2D von 10 bis 500 μm beträgt, wie zuvor beschrieben, und zwar unabhängig davon, ob sie unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet wird. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2D, die wie zuvor beschrieben gebildet wird, weist als Isoliercharakteristiken beispielsweise eine Wechselstrom-Durchschlagspannung von 5 kV oder mehr bei einer Dicke von 200 μm auf und kann auch bei einem Leistungselement mit einer Stehspannungsnennleistung von 1200 V verwendet werden.
  • Dann wird auch eine Maske 30B auf die obere Oberfläche 1Db des Metallblocks 1D aufgetragen, und die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 wird auf der Seite der oberen Oberfläche 1Db des Metallblocks 1D durch Abscheiden von Keramikpulver 31, wie etwa Aluminiumoxidpulver, unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet (11(d) bis 12(a)). Die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 wird nicht über die gesamte obere Oberfläche 1Db des Metallblocks 1D sondern auf einem Teil davon gebildet. Das Material der feinen Keramikteilchen, die bei der Bildung der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 verwendet werden, und das Verfahren zum Bilden der Isolierschicht, sind die gleichen wie bei der Wärme abgebenden Isolierschicht 2D, sowohl im Fall des Sprühverfahrens als auch des Aerosolabscheidungsverfahrens.
  • Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 von 10 bis 500 μm beträgt, wie zuvor beschrieben, und zwar unabhängig davon, ob sie unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet wird.
  • Dann wird die Relaiselektrode 41 aus Kupfer auf die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 abgeschieden. Es wird ein Plasmasprühverfahren als Verfahren zum Abscheiden des Kupfers wie für die Wärme abgebende Isolierschicht 2D verwendet. Dies bedeutet, dass eine Maske 30C auf die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 angewendet wird, die auf der oberen Oberfläche 1Db des Metallblocks 1D gebildet wird, und Kupferteilchen 32 gesprüht werden, wodurch die Relaiselektrode 41 gebildet wird (12(b) und (c)).
  • Dadurch wird ein Isoliermetallblock 3D, bei dem die Wärme abgebende Isolierschicht 2D auf der Seite der unteren Oberfläche 1Da des Metallblocks 1D gebildet ist und die Relaiselektrode 41 über die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 auf einem Teil der oberen Oberfläche 1Db gebildet ist, fertiggestellt (12(d)).
  • Dann wird das Leistungshalbleiterelement 4 mit der oberen Oberfläche 1Db des Metallblocks 1D in dem isolierenden Metallblock 3D durch Zusammenfügen mit dem Lötmetall 28a zusammengefügt (12(e)). Diese Montage unter Verwendung des Lötmetalls 28a erfolgt unter Verwendung des gleichen Montageverfahrens, wie in 2(d) abgebildet.
  • Dann wird der isolierende Metallblock 3D in die Leiterplatte 5 eingepasst, in der das Loch 14, in dem der isolierende Metallblock 3D aufgenommen werden kann, im Voraus gebildet wurde. Nun wird der isolierende Metallblock 3D mit dem Klebstoff 29 oder dergleichen befestigt, um mit der Leiterplatte 5 einstückig zu sein (3(a)).
  • Dann erfolgt die Verbindung des Leistungshalbleiterelements 4 und der Relaiselektrode 41 durch den Bonddraht 43a (13(b)). Ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 125 bis 500 μm wird als Bonddraht 43a verwendet, und es wird ein Ultraschallfügen ausgeführt. Ein Leiterrahmen kann beispielsweise ebenfalls anstelle des Bonddrahts 43a für die Verbindung des Leistungshalbleiterelements 4 und der Relaiselektrode 41 verwendet werden.
  • Ferner erfolgt eine Verbindung der Relaiselektrode 41 und des Schaltungsmusters 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5D durch den Bonddraht 43b (13(b)). Ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 125 bis 500 μm wird als Bonddraht 43b verwendet, und es wird ein Ultraschallfügen ausgeführt, wie mit dem Bonddraht 43a. Ein Leiterrahmen oder bandförmiges Aluminium kann ebenfalls anstelle des Bonddrahts 43b für die Verbindung der Relaiselektrode 41 und des Schaltungsmusters 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5D verwendet werden.
  • Dann werden die diversen elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b auf der Leiterplatte 5 durch Zusammenfügen mit dem Lötmetall 28a montiert. Die Montage erfolgt normalerweise in einem Schmelzofen unter Verwendung eines Weichlötmetalls (13(c)). Dadurch wird die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53D, in der die Leistungshalbleitereinheit 51D und die Leiterplatteneinheit 52D integriert sind, konfiguriert.
  • Schließlich wird die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53D, in der die Leistungshalbleitereinheit 51D und die Leiterplatteneinheit 52D integriert sind, und die Wärme abgebende Isolierschicht 2D auf der unteren Oberfläche 1Da des Metallblocks 1D gebildet ist, über eine Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper 7 montiert, und das Gehäuse 8 wird aufgesetzt, wodurch der Leistungswandler 100D konfiguriert wird (13(d)).
  • Wie zuvor beschrieben, ist der Leistungswandler gemäß der dritten Ausführungsform derart gestaltet, dass insbesondere dadurch, dass die Relaiselektrode und das Leiterplatten-Schaltungsmuster in einem Zustand angeschlossen sind, in dem der Bonddraht oder der Leiterrahmen von dem Leistungshalbleiterelement, das mit der oberen Oberfläche (Vorderseite) des Metallblocks zusammengefügt ist, mit der Relaiselektrode zusammengefügt ist, Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement im Betrieb generiert wird und über den Bonddraht oder den Leiterrahmen von dem Leistungshalbleiterelement übertragen wird, hauptsächlich auf den Metallblock mit hoher Wärmekapazität und besseren Wärmeabgabeeigenschaften anhand der Relaiselektrode und der Relaiselektroden-Isolierschicht, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, übertragen wird, weshalb es möglich ist, die Wärmemenge, die auf das Leiterplatten-Schaltungsmuster übertragen wird, ausreichend gering zu halten.
  • Aus diesem Grund ist der Leistungswandler gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung derart gestaltet, dass es möglich ist, die Wärmemenge, die von der Leistungshalbleitereinheit zu der Leiterplattenteileinheit strömt, wirksam zu unterdrücken, weshalb es möglich ist, die Erwärmung der Leiterplatte und dergleichen in der Leiterplattenteileinheit wirksam zu unterdrücken, und es somit möglich ist, die Wärmeabgabeeigenschaften des Leistungswandlers weiter zu verbessern.
  • Vierte Ausführungsform
  • 14 entspricht Schnittansichten, die Konfigurationen eines Leistungswandlers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen, wobei zwei verschiedene Konfigurationsbeispiele in 14(a) und 14(b) gezeigt werden.
  • Ein Leistungswandler gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung ist derart gestaltet, dass der Leistungswandler der zweiten Ausführungsform insbesondere eine Relaiselektroden-Isolierschicht, die durch ein Keramikmaterial gebildet wird, das direkt auf einem Teil der oberen Oberfläche eines Metallblocks, der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, abgeschieden wird, und eine Relaiselektrode, die durch ein Metallmaterial gebildet wird, das auf der oberen Oberfläche der Relaiselektroden-Isolierschicht abgeschieden wird, umfasst, ein Bonddraht oder dergleichen von einem Leistungshalbleiterelement, das auf der oberen Oberfläche des Metallblocks montiert ist, mit der Relaiselektrode zusammengefügt wird, und die Relaiselektrode und ein Schaltungsmuster einer Leiterplatte mit dem Bonddraht oder dergleichen verbunden wird, während der Leistungswandler ansonsten der gleiche wie der Leistungswandler gemäß der zweiten Ausführungsform ist.
  • Bei einem Leistungswandler 100F, der in 14(a) gezeigt wird, umfasst eine Leistungshalbleitereinheit 51F einen Metallblock 1F, der eine obere Oberfläche 1Fb und eine untere Oberfläche 1Fa aufweist, die Relaiselektroden-Isolierschicht 42, die auf einem Teil der oberen Oberfläche 1Fb des Metallblocks 1F gebildet ist, die Relaiselektrode 41, die auf der oberen Oberfläche der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 gebildet ist, und das Leistungshalbleiterelement 4, das durch das Lötmetall 28a mit der oberen Oberfläche 1Fb des Metallblocks 1F zusammengefügt wird, und der Bonddraht 43a von dem Leistungshalbleiterelement 4 wird mit der Relaiselektrode 41 zusammengefügt. Ferner sind die Relaiselektrode 41 der Leistungshalbleitereinheit 51F und das Schaltungsmuster 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 einer Leiterplatte 5F durch den Bonddraht 43b verbunden. In 14(a) geht man zur leichteren Beschreibung davon aus, dass der Bonddraht, der das Leistungshalbleiterelement 4 und die Relaiselektrode 41 verbindet, die Nummer 43a ist, während der Bonddraht, der die Relaiselektrode 41 und das Schaltungsmuster 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5D verbindet, die Nummer 43b ist. Nachstehend werden die obere Oberfläche 1Fb und die untere Oberfläche 1Fa des Metallblocks 1F jeweils auch als „Vorderseite 1Fb” und „Rückseite 1Fa” bezeichnet.
  • Obwohl eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53F dadurch konfiguriert wird, dass die Leistungshalbleitereinheit 51F und auch eine Leiterplatteneinheit 52F in dem Leistungswandler 100F integriert sind, ist die Konfiguration der Leiterplatteneinheit 5F, bei der das elektronische Schaltungsbauteil 6a auf der Leiterplatte 5F montiert ist, die gleiche wie die der Leiterplatteneinheit 52B bei dem Leistungswandler 100B.
  • Die Leistungshalbleitereinheit 51F ist derart gestaltet, dass der Metallblock 1F aus Kupfer konfiguriert ist, einem Metallmaterial mit guter elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, und der Metallblock 1F über hohe Wärmekapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften verfügt, weil seine Dicke im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm liegt.
  • Ein Keramikmaterial wird als Wärme abgebende Isolierschicht 2F direkt auf der unteren Oberfläche 1Fa des Metallblocks 1F und einem Umfangsbereich desselben gebildet, d. h. auf der unteren Oberfläche 1Fa des Metallblocks 1F und einem Umfangsbereich des Metallblocks 1F auf der Seite der unteren Oberfläche 502 der Leiterplatte 5F. Dabei ist in der Konfiguration aus 14 der Umfangsbereich des Metallblocks 1F auf der Seite der unteren Oberfläche 502 der Leiterplatte 5F, auf der die Wärme abgebende Isolierschicht 2F gebildet ist, die Kontaktfläche des unteren Oberflächen-Kontaktleiterteils 27c des Durchkontaktteils 27.
  • Die Wärme abgebende Isolierschicht 2F, die auf der unteren Oberfläche 1Fa des Metallblocks 1F und einem Umfangsbereich des Metallblocks 1F auf der Seite der unteren Oberfläche 502 der Leiterplatte 5F gebildet ist, wird aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid, gebildet. Es wird bevorzugt, dass die Wärmeleitzahl der Wärme abgebenden Isolierschicht 2F von 1 bis 200 W/m·K beträgt, und bevorzugt, dass die Dicke von 10 bis 500 μm beträgt.
  • Da der Leistungswandler 100F somit derart gestaltet ist, dass die Wärme abgebende Isolierschicht 2F, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, auf der unteren Oberfläche 1Fa des Metallblocks 1F auf der Seite der oberen Oberfläche 1Fb, auf der das Leistungshalbleiterelement 4 montiert ist und die eine hohe thermische Kapazität und bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweist, und in einem Umfangsbereich des Metallblocks 1F auf der Seite der unteren Oberfläche 502 der Leiterplatte 5F gebildet ist, ist es möglich, den thermischen Widerstand des unteren Teils des Leistungshalbleiterelements 4 zu reduzieren, da die untere Oberfläche 1Fa des Metallblocks 1F in der Leistungshalbleitereinheit 51F über die Wärme abgebende Isolierschicht 2F direkt in Kontakt mit dem Kühlkörper 7 steht und somit bessere Wärmeabgabeeigenschaften aufweisen kann.
  • Ein Konfigurationsbeispiel, bei dem ein Leistungshalbleiterelement 4 auf dem Metallblock 1F montiert ist, wird in 14(a) gezeigt, doch die Anzahl der Leistungshalbleiterelemente 4, die auf dem Metallblock 1F montiert sind, kann gleich zwei sein, oder kann gleich drei oder mehr sein. Da das Metallmaterial, das den Metallblock 1F bildet, auch nicht auf Kupfer eingeschränkt ist, kann man auch eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen anwenden.
  • Auch ist die Leistungshalbleitereinheit 51F derart gestaltet, dass die Relaiselektroden-Isolierschicht 42, die auf der Seite der oberen Oberfläche 1Fb des Metallblocks 1F gebildet ist, ebenfalls aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid, gebildet ist. Es wird bevorzugt, dass die Wärmeleitzahl der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 von 1 bis 200 W/m·K beträgt, und bevorzugt, dass die Dicke von 10 bis 500 μm beträgt.
  • Ferner ist die Relaiselektrode 41, die auf der oberen Oberfläche der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 gebildet ist, aus einem Metallmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Kupfer, gebildet. Da das Metallmaterial, das die Relaiselektrode 41 bildet, auch nicht auf Kupfer eingeschränkt ist, kann man auch eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder dergleichen anwenden.
  • Dann unterscheidet sich ein Leistungswandler 100G, der in 14(b) gezeigt wird, von dem Leistungswandler 100F, der in 14(a) gezeigt wird, dadurch, dass das Leistungshalbleiterelement 4 und die Relaiselektrode 41 durch den Leiterrahmen 44a verbunden sind, und die Relaiselektrode 41 und das Kontaktmuster 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 einer Leiterplatte 5G durch den Leiterrahmen 44b verbunden sind, während sie ansonsten gleich sind. Nachstehend wird eine Beschreibung hauptsächlich des Leistungswandlers 100F, der in 14(a) gezeigt wird, angegeben.
  • Im Anschluss wird eine Beschreibung mit Bezug auf 15 und 16 eines Verfahrens zum Herstellen des Leistungswandlers gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung angegeben. 15 und 16 sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungswandlers gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • Zuerst wird der Metallblock 1F dadurch angefertigt, dass eine Kupferplatte im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm durch Stanzen zu einem Quadrat oder Rechteck ausgestanzt wird (15(a)).
  • Dann wird die Maske 30B auf die obere Oberfläche 1Fb des Metallblocks 1F aufgetragen, und die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 wird auf der Seite der oberen Oberfläche 1Fb des Metallblocks 1F durch Abscheiden von Keramikpulver 31, wie etwa Aluminiumoxidpulver, unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet (15(b) und 15(c)). Die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 wird nicht über die gesamte obere Oberfläche 1Fb des Metallblocks 1F sondern auf einem Teil davon gebildet. Das Material der feinen Keramikteilchen, die bei der Bildung der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 verwendet werden, und das Verfahren zum Bilden der Isolierschicht sind die gleichen wie bei der Wärme abgebenden Isolierschicht 2B, die in 6(e) und 7(a) abgebildet sind, sowohl für den Fall des Sprühverfahrens als auch des Aerosolabscheidungsverfahrens.
  • Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Relaiselektroden-Isolierschicht 42 von 10 bis 500 μm beträgt, wie zuvor beschrieben, und zwar unabhängig davon, ob sie unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet wird.
  • Dann wird die Relaiselektrode 41 aus Kupfer auf die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 abgeschieden. Es wird wie bei der Wärme abgebenden Isolierschicht ein Plasmasprühverfahren als Verfahren zum Abscheiden des Kupfers verwendet. D. h. die Maske 30C wird auf die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 aufgetragen, die auf der oberen Oberfläche 1Fb des Metallblocks 1F gebildet wird, und die Kupferteilchen 32 werden gesprüht, wodurch die Relaiselektrode 41 gebildet wird (15(d) und 15(e)).
  • Dadurch wird ein Metallblock 103F mit Relaiselektrode, bei dem Relaiselektrode 41 über die Relaiselektroden-Isolierschicht 42 auf einem Teil der oberen Oberfläche 1Fb des Metallblocks 1F gebildet ist, fertiggestellt (15(f)).
  • Dann wird wie in 6(c) der Metallblock 1F in das Loch 27d des Durchkontaktteils 27 der Leiterplatte 5F eingefügt und durch Zusammenfügen mit dem Lötmetall 28b befestigt (15(g)). Nun kann das Befestigen in Verbindung mit einem Klebstoff oder dergleichen erfolgen, um die Fügekraft zwischen der Leiterplatte 5F und dem Metallblock 1F weiter zu verstärken.
  • Dann wird das Leistungshalbleiterelement 4 auf dem Metallblock 1F durch Zusammenfügen mit Lötmetall 28a montiert, und die diversen elektronischen Schaltungsbauteile 6a und 6b werden auf der Leiterplatte 5F durch Zusammenfügen mit Lötmetall 28a montiert (16(a)). Diese Montagen unter Verwendung von Lötmetall 28a erfolgen wie bei dem Montageverfahren, das in 6(d) abgebildet ist.
  • Dann erfolgt die Verbindung des Leistungshalbleiterelements 4 und der Relaiselektrode 41 durch den Bonddraht 43a (16(a)). Es wird ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 125 bis 500 μm als Bonddraht 43a verwendet, und es wird ein Ultraschallfügen ausgeführt. Ein Leiterrahmen kann beispielsweise ebenfalls anstelle des Bonddrahts 43a für die Verbindung des Leistungshalbleiterelements 4 und der Relaiselektrode 41 verwendet werden.
  • Ferner erfolgt eine Verbindung der Relaiselektrode 41 und des Schaltungsmusters 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5F durch den Bonddraht 43b (16(a)). Ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 125 bis 500 μm wird für den Bonddraht 43b verwendet, und es wird ein Ultraschallfügen ausgeführt, wie mit dem Bonddraht 43a. Ein Leiterrahmen oder bandförmiges Aluminium kann ebenfalls anstelle des Bonddrahts 43b für die Verbindung der Relaiselektrode 41 und des Schaltungsmusters 24 auf der Seite der oberen Oberfläche 501 der Leiterplatte 5F verwendet werden.
  • Dann wird die Maske 30A aufgetragen, und die Wärme abgebende Isolierschicht 2F wird auf einer unteren Oberfläche 1Fa des Metallblocks 1F und einem Umfangsbereich desselben durch Abscheiden von Keramikpulver 31, wie etwa Aluminiumoxidpulver, unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet (16(b) und 16(c)). Das Material der feinen Keramikteilchen, die bei der Bildung der Wärme abgebenden Isolierschicht 2F verwendet werden, und das Verfahren zum Bilden der Isolierschicht sind die gleichen wie bei der Isolierschicht 2B, die in 6(e) und 7(a) abgebildet sind, sowohl für den Fall des Sprühverfahrens als auch des Aerosolabscheidungsverfahrens.
  • Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Wärme abgebenden Isolierschicht 2F von 10 bis 500 μm beträgt, wie zuvor beschrieben, und zwar unabhängig davon, ob sie unter Verwendung eines Sprühverfahrens oder eines Aerosolabscheidungsverfahrens gebildet wird. Die Wärme abgebende Isolierschicht 2F, die wie zuvor beschrieben gebildet wird, verfügt als Isoliercharakteristiken beispielsweise über eine Wechselstrom-Durchschlagspannung von 5 kV oder mehr bei einer Dicke von 200 μm, und kann auch bei einem Leistungselement mit einer Stehspannungsnennleistung von 1200 V verwendet werden.
  • Schließlich wird die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe 53F, in der die Leistungshalbleitereinheit 51F und die Leiterplatteneinheit 52F integriert sind und die Wärme abgebende Isolierschicht 2F auf der unteren Oberfläche 1Fa des Metallblocks 1F und einem Umfangsbereich desselben gebildet ist, über eine Wärmeleitpaste an dem Kühlkörper 7 montiert, und das Gehäuse 8 wird aufgesetzt, wodurch der Leistungswandler 100F konfiguriert wird (16(d)).
  • Der Leistungswandler gemäß der zuvor beschriebenen vierten Ausführungsform, wie der Leistungswandler gemäß der dritten Ausführungsform, ist derart gestaltet, dass insbesondere dadurch, dass die Relaiselektrode und das Leiterplatten-Schaltungsmuster in einem Zustand verbunden werden, in dem der Bonddraht oder der Leiterrahmen von dem Leistungshalbleiterelement, das mit der oberen Oberfläche (Vorderseite) des Metallblocks zusammengefügt ist, mit der Relaiselektrode zusammengefügt wird, die Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement im Betrieb generiert wird und entlang dem Bonddraht oder dem Leiterrahmen von dem Leistungshalbleiterelement übertragen wird, hauptsächlich auf den Metallblock mit hoher Wärmekapazität und besseren Wärmeabgabeeigenschaften anhand der Relaiselektrode und der Relaiselektroden-Isolierschicht, die aus einem Keramikmaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, übertragen wird, weshalb es möglich ist, die übertragene Wärmemenge, die auf das Leiterplatten-Schaltungsmuster übertragen wird, ausreichend gering zu halten.
  • Deshalb ist der Leistungswandler gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung derart gestaltet, dass es möglich ist, die Wärmemenge, die von der Leistungshalbleitereinheit zu der Leiterplattenteileinheit strömt, wirksam zu unterdrücken, wodurch es möglich ist, eine Erwärmung der Leiterplatte und dergleichen in der Leiterplattenteileinheit wirksam zu unterdrücken, und es somit möglich ist, die Wärmeabgabeeigenschaften des Leistungswandlers weiter zu verbessern.
  • Bezugszeichenliste
    • 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G
    Metallblock
    1a, 1Aa, 1Ba, 1Ca, 1Da, 1Fa
    untere Oberfläche (Rückseite)
    1b, 1Ab, 1Bb, 1Cb, 1Db, 1Fb
    obere Oberfläche (Vorderseite)
    1c, 1Ac, 1Bc, 1Cc, 1Dc, 1Fc
    seitliche Oberfläche
    2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G
    Wärme abgebende Isolierschicht
    2a, 2Aa, 2Da
    Wärme abgebende Isolierschicht des unteren Oberflächenteils
    2b, 2Ab, 2Db
    Wärme abgebende Isolierschicht des seitlichen Oberflächenteils
    3, 3A, 3D, 3E
    Isoliermetallblock
    4
    Leistungshalbleiterelement (erstes Schaltungselement)
    5, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G
    Leiterplatte
    6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g
    elektronisches Schaltungsbauteil (zweites Schaltungselement)
    7
    Kühlkörper
    7a
    obere Oberfläche
    8
    Gehäuse
    9a, 9b
    Leiterplatte
    10
    Leistungshalbleitermodul
    11
    Isoliersubstrat
    12
    Aluminiumdraht
    13
    Ausschnittteil
    14, 14A
    Loch
    15
    Metallbasis
    16
    Isolierschicht
    17
    Schaltungsmuster
    18, 18A
    Anschlussleitungsklemme
    19
    Isolierharz
    20
    Gehäusehauptkörper
    21
    Abdeckung
    23, 23a, 23b
    Substrathauptkörper
    24, 24a, 24b
    Schaltungsmuster
    25, 25A
    Träger
    26
    Verdrahtung
    27
    Durchkontaktteil
    27a
    Durchleiterteil
    27b
    Kontaktleiterteil der oberen Oberfläche
    27c
    Kontaktleiterteil der unteren Oberfläche
    27d
    Loch
    28a, 28b
    Lötmetall
    29
    Klebstoff
    30, 30A, 30B, 30C
    Maske
    31, 31A, 31B
    Rohmaterialpulver (Keramikpulver)
    32
    Kupferteilchen
    41
    Relaiselektrode
    42
    Isolierfilm der Relaiselektrode
    43a, 43b
    Bonddraht
    44a, 44b
    Leiterrahmen
    51, 51A, 51B, 51C, 51D, 51E, 51F, 51G
    Leistungshalbleitereinheit
    52, 52A, 52B, 52C, 52D, 52E, 52F, 52G
    Leiterplattenteileinheit
    53, 53A, 53B, 53C, 53D, 53E, 53F, 53G
    Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe
    100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 200
    Leistungswandler
    103F
    Metallblock mit Relaiselektrode
    501
    obere Oberfläche (Vorderseite)
    502
    untere Oberfläche (Rückseite)
    h1, h2, h3, h4
    Wärmeströmung

Claims (11)

  1. Leistungswandler, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst: eine Leistungshalbleitereinheit, die durch ein erstes Schaltungselement gebildet wird, das aus einem Leistungshalbleiterelement gebildet wird, das auf der oberen Oberfläche eines Metallblocks montiert ist, der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist; eine Leiterplatteneinheit, die durch ein zweites Schaltungselement gebildet wird, das auf einer Leiterplatte montiert ist, in der ein Loch geöffnet ist, in dem der Metallblock aufgenommen werden kann; und einen Kühlkörper, wobei eine Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe, in der die Leistungshalbleitereinheit und die Leiterplatteneinheit integriert sind, so dass der Metallblock in das Loch passt, konfiguriert wird, ein Keramikmaterial direkt auf der unteren Oberfläche des Metallblocks als Wärme abgebende Isolierschicht gebildet wird, und die Leistungswandlungs-Schaltungsbaugruppe an dem Kühlkörper dadurch angebracht ist, dass die untere Oberfläche des Metallblocks über die Wärme abgebende Isolierschicht mit der oberen Oberfläche des Kühlkörpers in Kontakt kommt.
  2. Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keramikmaterial direkt auf der unteren Oberfläche des Metallblocks und mindestens einem Teil einer seitlichen Oberfläche des Metallblocks als Wärme abgebende Isolierschicht gebildet ist, und die Wärme abgebende Isolierschicht auf der unteren Oberfläche und die Wärme abgebende Isolierschicht auf der seitlichen Oberfläche bereitgestellt werden, um nebeneinander zu liegen.
  3. Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keramikmaterial direkt auf der unteren Oberfläche des Metallblocks und auf einem Umfangsbereich des Metallblocks auf der unteren Oberfläche der Leiterplatte als Wärme abgebende Isolierschicht gebildet ist.
  4. Leistungswandler gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch ein Öffnungsteil eines Durchkontaktteils ist, das in einer Leiterschicht gebildet ist, der Metallblock an dem Durchkontaktteil durch Löten befestigt ist, und der Umfangsbereich des Metallblocks auf der unteren Oberfläche der Leiterplatte eine Kontaktfläche des Durchkontaktteils ist.
  5. Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleitereinheit eine Relaiselektroden-Isolierschicht umfasst, die durch ein Keramikmaterial gebildet wird, das direkt auf einem Teil der oberen Oberfläche des Metallblocks abgeschieden wird, und eine Relaiselektrode, die dadurch gebildet wird, dass ein Metallmaterial auf der oberen Oberfläche der Relaiselektroden-Isolierschicht abgeschieden wird, wobei ein Bonddraht oder ein Leiterrahmen von dem ersten Schaltungselement mit der Relaiselektrode zusammengefügt wird, und die Relaiselektrode und ein Schaltungsmusterteil auf der Seite der oberen Oberfläche der Leiterplatte verbunden sind.
  6. Leistungswandler gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaiselektrode durch Sprühen von Kupferteilchen als Metallmaterial gebildet wird.
  7. Leistungswandler gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaiselektrode und das Schaltungsmusterteil auf der Seite der oberen Oberfläche der Leiterplatte mit Bonddraht oder einem Leiterrahmen verbunden sind.
  8. Leistungswandler gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitzahl der Wärme abgebenden Isolierschicht und/oder der Relaiselektroden-Isolierschicht von 1 bis 200 W/m·K beträgt, und die Dicke von 10 bis 500 μm beträgt.
  9. Leistungswandler gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme abgebende Isolierschicht und/oder die Relaiselektroden-Isolierschicht aus mindestens einer Art von einer Füllstoffgruppe aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Bornitrid gebildet ist bzw. sind.
  10. Leistungswandler gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme abgebende Isolierschicht und/oder die Relaiselektroden-Isolierschicht dadurch gebildet wird bzw. werden, dass feine Keramikteilchen von mindestens einer Art der Füllstoffgruppe unter Verwendung eines Plasmasprühverfahrens abgeschieden werden.
  11. Leistungswandler gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme abgebende Isolierschicht und/oder die Relaiselektroden-Isolierschicht dadurch gebildet wird bzw. werden, dass feine Keramikteilchen von mindestens einer Art der Füllstoffgruppe unter Verwendung eines Aerosolabscheidungsverfahrens abgeschieden werden.
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