JP2000164780A - パワ―電子部品 - Google Patents

パワ―電子部品

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JP2000164780A
JP2000164780A JP11335356A JP33535699A JP2000164780A JP 2000164780 A JP2000164780 A JP 2000164780A JP 11335356 A JP11335356 A JP 11335356A JP 33535699 A JP33535699 A JP 33535699A JP 2000164780 A JP2000164780 A JP 2000164780A
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composite structure
layer
power electronic
semiconductor circuit
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JP11335356A
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Christian Schaeffer
クリスチヤン・シエフエール
Michel Mermet-Guyennet
ミシエル・メルメ−ギヤネ
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Alstom Holdings SA
Original Assignee
Alstom Holdings SA
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却を改善したパワー電子部品を提供する。 【解決手段】 部品は、第１の熱伝達及び電気絶縁複合
構造体、及び接続端子を有する少なくとも１つのパワー
半導体回路を含む。前記第１の複合構造体は、前記半導
体回路に隣接して導電層又は半導体層を含み、且つ前記
半導体回路と反対側に導電層又は半導体層を含む。接続
端子は、前記第１の複合構造体と反対側で、相互に絶縁
された導電部材の平面アレーへ取り付けられる。前記ア
レーは前記半導体回路と反対側に導電層又は半導体層を
含む少なくとも第２の複合構造体へ組み込まれる。少な
くとも第１の複合構造体又は第２の複合構造体の反対側
の層は、熱伝達流体用のフロー手段を含む。部品をその
最上面及び底面から冷却することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はパワー電子部品に関
する。
【０００２】
【従来の技術】特にレール牽引用のインバータを構成す
るのに使用されるパワー電子部品は、通常、例えば銅か
ら作られた基板を含む。熱伝達及び電気絶縁機能を有す
る導体・絶縁体・導体の複合構造体が、基板に取り付け
られる。それらは、直接結合銅（ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｎ
ｄｅｄ ｃｏｐｐｅｒ、ＤＢＣ）の銅・セラミック・銅
積層体の形式をしている。更に、これらの複合構造体
は、アルミニウム又は銅の底部層、エポキシ中間層、及
び幾つかの部分に形成される銅上部層を含む絶縁金属基
板（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｍｅｔａｌ ｓｕｂｓｔｒａ
ｔｅ、ＩＭＳ）の形式を取ることができる。
【０００３】複数のパワー半導体回路、例えば絶縁ゲー
ト型バイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇ
ａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧ
ＢＴ）又はダイオードは、各複合構造体の上に配置され
る。半導体回路の１つの側は、接続端子で覆われ、回路
は端子を有しない側で複合構造体の自由金属層へ固定さ
れる。回路は、例えばスズ・鉛又はスズ・鉛・銀の軟質
ハンダを使用して固定される。
【０００４】次に、通常は３８０〜５００ミクロンの直
径を有するアルミニウム線が、各接続端子へハンダ付け
される。更に、これらの線の各々は、複合構造体の最上
部金属層へハンダ付けされる。次に、パワー電子部品を
形成するために、基板、複合構造体、及びパワー半導体
回路のアセンブリが、シリコーンゲルで充填されたケー
シングに置かれて、エポキシ樹脂キャップで覆われる。
【０００５】通常、部品は、水冷プレート、空気熱交換
器、又は「熱パイプ」蒸発器ベースである冷却装置の上
に置かれる。この装置は、パワー電子部品の完全性を維
持するため、その温度を１２５℃より下に維持するよう
に構成される。
【０００６】冷却問題は、パワー電子部品の分野で特に
重要である。なぜなら、約１２５℃のしきい値温度は、
部品の電流定格を決定するからである。
【０００７】特にそのような部品の公称電流容量を増大
するためには、使用される半導体材料の量を増大しなけ
ればならない。これは明らかに単位コストを増大する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、所与
の容積に対する電流定格、従って単位価格を増大する
か、容積、従って所与の公称電流に対する単位価格を減
少するために、パワー電子部品の冷却を改善することで
ある。
【０００９】特に、本発明は、全体的な構造体が従来技
術の部品とは異なっており、それによって、冷却を改善
したパワー電子部品の提供を提案する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】このため、本発明は、少
なくとも１つのパワー半導体回路を支持する第１の熱伝
達及び電気絶縁複合構造体を含むパワー電子部品であっ
て、パワー半導体回路の前記第１の複合構造体と反対側
は接続端子を有し、前記第１の複合構造体は、前記半導
体回路に隣接して導電層又は半導体層、及び前記半導体
回路と反対側に導電層又は半導体層を含み、前記接続端
子は、前記第１の複合構造体と反対側で、相互に絶縁さ
れた導電部材の平面アレーへ取り付けられ、前記平面ア
レーは、前記半導体回路と反対側に導電層又は半導体層
を含む少なくとも第２の熱伝達及び電気絶縁複合構造体
へ組み込まれ、少なくとも第１の複合構造体又は第２の
複合構造体の反対側の層は、熱伝達流体用のフロー手段
を含む。
【００１１】本発明の他の特徴に従えば、 − 半導体回路と反対側の層は、半導体材料、特にシリ
コンから作られる。
【００１２】− 半導体回路と反対側の半導体層は、相
互に組み立てられた第１及び第２のウェーハを含み、ウ
ェーハの少なくとも１つは溝を有し、熱伝達流体フロー
手段が、半導体回路と反対側の前記層の中に貫通通路を
含み、通路はウェーハ間の形状の協働によって形成され
る。
【００１３】− プレートはそれぞれ一連の溝を有し、
通路は、２つのウェーハの接合面のそれぞれの対向する
側にある対面する前記溝間の形状の協働によって形成さ
れる。
【００１４】− 通路は六角形断面を有する。
【００１５】− 半導体回路と反対側の層は、金属材料
から作られる。
【００１６】− 熱伝達流体フロー手段は、パワー半導
体回路に対向した金属層の末端面に開いている。
【００１７】− 熱伝達流体フロー手段は、半導体回路
と反対側の金属層の少なくとも１つの寸法の少なくとも
一部分を覆って伸びる少なくとも１つの通路を含む。
【００１８】− 端子は、少なくとも１つのスズ・鉛・
銀のボスをハンダ付けすることによって、第２の複合構
造体の平面アレーへ取り付けられる。
【００１９】− 端子は、そのボスあるいは各ボスに付
着するコーティング、特にチタン・ニッケル・金の堆積
物によって、そのボスあるいは各ボスから隔離される。
【００２０】以下に、限定されない例としての添付の図
面を参照して、本発明を説明する。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１から図３までは、本発明に従
ったパワー電子部品へ組み込まれる半導体層の製造方法
を示す。このプロセスは、図１に示される２つの単結晶
シリコンウェーハを使用するが、これらのウェーハは、
約束として第１のウェーハ２及び第２のウェーハ４と呼
ぶことにする。それらは同一の寸法、即ち約１ｍｍの厚
さｅ及び約５０ｍｍ×５０ｍｍの主な寸法を有する。
【００２２】図２に示されるように、次のステップは、
第１のウェーハ２に溝６を形成することである。溝は、
当技術分野で周知のウェット化学エッチング法によって
形成される。単結晶シリコンの性質が与えられた場合、
この処理は特に容易で、傾斜した側面を有するＵ形プロ
フィルを有する溝を形成し、エッチングは結晶平面に沿
って起こる。溝の側面６Ａの傾斜を規定する角度αは、
５７°に近い。溝は、ウェーハの主な方向の１つに平行
で、その対向する２つの端部の間にある。
【００２３】溝６の深さｐがその幅Ｌの約半分に等しく
なったとき、エッチングを停止する。示された実施形態
において、約５０の溝がウェーハ２の上に形成される。
これは、１ｃｍ当たり約１０の溝の密度に対応する。溝
６はＶ形にもすることができる。
【００２４】図２は、ウェーハ２上の溝６の形成のみを
示す。説明される実施形態では、同様な溝８が、第２の
ウェーハ４の上に形成されることが分かる。
【００２５】次のステップは、２つのウェーハ２及び４
を相互に組み立てることである。このため、一連の溝
６、８それぞれが、相互に揃えられ、その後２つのウェ
ーハは相互に溶接される。この作業は約６００℃の温度
で行われる。
【００２６】層１０は、このようにして２つのウェーハ
２及び４を相互に組み立てることによって形成される。
それは、それぞれのウェーハ２及び４にある対面する溝
６及び８の形状の協働によって形成される複数の通路１
２を有する。通路１２は、２つのウェーハ２及び４の間
の接合面Ｐの対向するそれぞれの側にあり、また、ほぼ
六角形でそれらの高さＨにほぼ等しい幅Ｌを有する。通
路は、層１０の２つの対向する端部の１つから他の１つ
へ伸びているという意味で貫通通路である。
【００２７】この例では、溝は２つのウェーハ２及び４
に形成される。溝は、１つのウェーハにだけ形成するこ
ともでき、その場合、通路は、溝及び他のウェーハの平
坦面によって形成される。
【００２８】次に、図４に示されるように、複合構造体
１９を形成するため、絶縁シリカ層１６が層１０の最上
部に置かれ、追加の単結晶シリコン層１８がその上に置
かれる。層１０、１６、１８を含む構造体１９は、電子
技術で周知の薄膜堆積および電解プロセスを使用して従
来のように製造される。
【００２９】ＩＧＢＴ又はダイオードのようなパワー半
導体回路２０は、スズ・鉛のハンダの層２２によって、
層１８の自由面へ従来のように取り付けられる。注意す
べきは、標準のパワー電子部品とは異なり、回路２０の
端子２３は、アルミニウム線によって層１８へ接続され
ないことである。
【００３０】図５は、本発明に従ったパワー電子部品を
製造する次のステップを示す。このステップは、最初
に、例えばスプレー処理によって、端子２３の自由面に
厚さ約０．８マイクロメートルのチタン・ニッケル・金
の多層コーティング２４を堆積させる。
【００３１】スズ・鉛・銀のボス２６が、多層コーティ
ング２４の上に置かれる。そのサイズは端子１２のサイ
ズに対応する。この例では、ボスは、約２％のスズ、９
５．５％の鉛、２．５％の銀を含む。注意すべきは、多
層コーティング２４は、ボス２６を端子２３へ接着する
優れた機械的接着を達成することである。
【００３２】次のステップは、熱伝達及び電気絶縁機能
を有する第２の複合構造体１１９を製造することであ
る。
【００３３】構造体１１９は、構造体１９の層１０及び
１６と同様な層１１０及び１１６を含む。層１１６は、
相互に絶縁された導電部材の平面アレー１１８で覆わ
れ、前記導電部材の構成は平面アレー１１８が覆ってい
る半導体回路２０の構成と一致している。
【００３４】次に、第２の構造体１１９がひっくり返さ
れ、その平面アレー１１８は、パワー半導体回路２０の
端子２３上の各ボス２６と接触させられる。次に、各ボ
ス２６は、例えば約３３０℃で１０秒間加熱することに
よって溶解される。これは、端子２３を複合構造体１１
９の平面アレー１１８へ固着する。今後反対側の層と呼
ばれる層１１０と対比されるものとして、今後、アレー
１１８を隣接アレーと呼ぶ。
【００３５】結果のパワー電子部品２８は、層１０及び
１１０によって冷却することができる。それらの中の通
路１２及び１１２は、気体又は液体の熱伝達流体を搬送
し、このため、そのような流体源へ接続される。
【００３６】本発明のパワー電子部品２８の構造は、従
来技術の構成部品で通常使用されるアルミニウム線の必
要性を除く。ここでは、第２の複合構造体１１９の平面
アレー１１８が、それらのアルミニウム線と同じ働きを
する。
【００３７】図７〜図９は、本発明に従ったパワー電子
部品へ組み込まれる他の複合構造体の実施形態を示す。
【００３８】プロセスは、図７で示される通常形態の導
体・絶縁体・導体の複合構造体から始まる。この構造体
は、例えば銅の第１又は底部の層２０２を含み、その上
には、銅の第２又は上部金属層２０６を支持する絶縁中
間層２０４がある。導電層２０２及び２０６は、例えば
３〜４ｍｍの厚さであり、約４８ｍｍ×４８ｍｍの主な
寸法を有する。絶縁層２０４は０．６３５ｍｍの厚さで
あり、５０ｍｍ×５０ｍｍの主な寸法を有する。
【００３９】図８及び図９は、本発明に従った部品へ組
み込まれ、且つ図７に示される構造体から作られるよう
に構成された複合構造体２０８を示す。構造体２０８の
底部層２０２は、熱伝達流体フロー手段を構成する複数
の通路又はコンジット２１０を有する。これらの通路
は、底部層２０２の主な寸法の１つに平行で、特に図８
に示されるように、その底面から開始している。各通路
は、例えば２〜３ｍｍの高さまで、底部層２の厚さのか
なりの部分に伸びている。更に、通路２１０は、底部層
２０２の厚さ全体に伸びることができる。通路は、例え
ば２００マイクロメートルの幅及び４０〜５０ｍｍの長
さである。説明される実施形態では、約５０の通路２１
０があり、従って２つの隣接した通路は、約２００〜３
００マイクロメートルだけ離れている。
【００４０】次に、図８に示されるように、図４〜図６
の回路２０と同様な２つのパワー半導体回路２２０が、
層２０６の最上面に置かれる。次に、スズ・鉛・銀のボ
ス２２６が、図５を参照して説明したのと同じように、
半導体回路の各端子２３の上に置かれる。
【００４１】次のステップは、層２０２及び２０４と同
じ層３０２及び３０４を含む第２の複合構造体３０８を
製造することである。
【００４２】層３０４は、相互に絶縁された導電部材の
平面アレー３０６によって覆われる。前記導電部材の構
成は、平面アレーが覆っている半導体回路２２０の構成
と同じである。
【００４３】次に、構造体３０８はひっくり返され、そ
の平面アレー３０６はボス２２６と接触させられる。次
に、ボス２２６は、図６を参照して説明したようにして
溶解される。
【００４４】これは、端子２２３を第２の複合構造体３
０８の平面アレー３０６へ固着する。今後反対側の層と
呼ばれる層３０２と対比されるものとして、今後、アレ
ー３０６を隣接アレーと呼ぶ。
【００４５】結果のパワー電子部品２２８は、半導体回
路２２０に対向した層２０２、３０２によって冷却され
ることができる。それらの中の通路２１０、３１０は、
気体又は液体熱伝達流体を搬送することができ、このた
め、そのような流体源へ接続される。
【００４６】この例では、通路は、層２０２及び３０２
の末端面、即ち半導体回路２２０から遠い距離にある面
に開いている。
【００４７】本発明に従ったパワー電子部品は、前述し
た目的を達成する。それは、従来技術の装置で使用され
るアルミニウム線の必要性を無くす。そのような線は、
冷却に関して制限ファクタとなる。なぜなら、それらの
線は、それらを流れる電流の２乗に比例して加熱され、
それらを冷却することは困難である。なぜならそれらは
シリコーンゲルの中に埋設されているからである。更
に、アルミニウム線は、全体としてのパワー電子部品の
重大な誤作動を生じる可能性がある。それらは、使用さ
れているとき加熱サイクルを受け、破断される可能性が
ある。
【００４８】本発明の部品は、アルミニウム線を使用し
ないことのほかに、構成されているパワー半導体回路
を、それらの上部及び底部から同時に冷却することを確
実にする。
【００４９】更に、本発明に従った部品を形成する複合
構造体は、通常の熱伝達及び電気絶縁機能に加えて、冷
却機能を有する。各複合構造体へ冷却素子を組み込むこ
とは、本発明の部品を構成する各種の層間の境界面の数
を限定する。更に、これは、各複合構造体の反対側の層
の中に形成された通路を流れる熱伝達流体との対流によ
って、熱交換係数を増大する。
【００５０】所与の公称電流について、これは、従来技
術のパワー電子部品に必要なシリコン量と比較して、シ
リコン量を非常に顕著に削減する。更に、従来技術の部
品で使用されるシリコン量と同じシリコン量に関して、
本発明の部品は顕著に高い電流定格を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従ったパワー電子部品に含まれる複合
構造体の一部分を形成する層を製造する方法を示す図で
ある。
【図２】本発明に従ったパワー電子部品に含まれる複合
構造体の一部分を形成する層を製造する方法を示す図で
ある。
【図３】本発明に従ったパワー電子部品に含まれる複合
構造体の一部分を形成する層を製造する方法を示す図で
ある。
【図４】図１から図３までに示される層から形成された
複合構造体、及びその複合構造体上のパワー半導体回路
を示す図である。
【図５】図４の半導体回路の拡大図である。
【図６】図４に示されるような２つの複合構造体を含
む、本発明に従った部品を示す図である。
【図７】本発明に従ったパワー電子部品の複合構造体の
変形実施形態を示す図である。
【図８】本発明に従ったパワー電子部品の複合構造体の
変形実施形態を示す図である。
【図９】本発明に従ったパワー電子部品の複合構造体の
変形実施形態を示す図である。
【図１０】図８及び図９に示されるような２つの構造体
を含む、本発明に従った部品を示す図である。
【符号の説明】
２、４ ウェーハ ６、８ 溝 １０、２２、１１０、１１６、３０２、３０４ 層 １２、１１２、２１０、３１０ 通路 １６ 絶縁シリカ層 １８ 単結晶シリコン層 １９、１１９、３０８、２０８ 複合構造体 ２０、２２０ パワー半導体回路 ２３、２２３ 端子 ２４ コーティング ２６、２２６ ボス ２８、２２８ パワー電子部品 １１８、３０６ 平面アレー ２０２ 第１又は底部の層 ２０４ 絶縁中間層 ２０６ 第２又は上部金属層

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つのパワー半導体回路を支
    持する第１の熱伝達及び電気絶縁複合構造体を含むパワ
    ー電子部品であって、パワー半導体回路の前記第１の複
    合構造体と反対側は接続端子を有し、前記第１の複合構
    造体は、前記半導体回路に隣接して導電層又は半導体
    層、及び前記半導体回路と反対側に導電層又は半導体層
    を含み、前記接続端子は、前記第１の複合構造体と反対
    側で、相互に絶縁された導電部材の平面アレーへ取り付
    けられ、前記平面アレーは、前記半導体回路と反対側に
    導電層又は半導体層を含む少なくとも第２の熱伝達及び
    電気絶縁複合構造体へ組み込まれ、少なくとも第１の複
    合構造体又は第２の複合構造体の反対側の層は、熱伝達
    流体用のフロー手段を含むパワー電子部品。
  2. 【請求項２】 前記半導体回路の反対側の前記層は、半
    導体物質、特にシリコンから作られる、請求項１に記載
    のパワー電子部品。
  3. 【請求項３】 前記半導体回路と反対側の前記半導体層
    は、相互に組み立てられた第１及び第２のウェーハを含
    み、ウェーハの少なくとも１つは溝を有し、熱伝達流体
    フロー手段が、半導体回路に対向した前記層の中で貫通
    通路を含み、前記通路は前記ウェーハ間の形状の協働に
    よって形成される、請求項２に記載のパワー電子部品。
  4. 【請求項４】 プレートは一連の溝を有し、通路は、２
    つのウェーハの接合面のそれぞれの対向する側にある対
    面する前記溝間の形状の協働によって形成される、請求
    項３に記載のパワー電子部品。
  5. 【請求項５】 前記通路は六角形断面を有する、請求項
    ４に記載のパワー電子部品。
  6. 【請求項６】 前記半導体回路と反対側の前記層は、金
    属物質から作られる、請求項１に記載のパワー電子部
    品。
  7. 【請求項７】 前記熱伝達流体フロー手段は、前記パワ
    ー半導体回路と反対側の金属層の末端面に開いている、
    請求項６に記載のパワー電子部品。
  8. 【請求項８】 前記フロー手段は、半導体回路と反対側
    の金属層の少なくとも１つの寸法の少なくとも一部分を
    覆って伸びている少なくとも１つの通路を含む、請求項
    ７に記載のパワー電子部品。
  9. 【請求項９】 前記端子は、少なくとも１つのスズ・鉛
    ・銀のボスをハンダ付けすることによって、第２の複合
    構造体の前記平面アレーへ取り付けられる、請求項１に
    記載のパワー電子部品。
  10. 【請求項１０】 前記端子は、そのボスあるいは各ボス
    へ付着するコーティング、特にチタン・ニッケル・金の
    堆積物によって、そのボスあるいは各ボスから隔離され
    る、請求項９に記載のパワー電子部品。
JP11335356A 1998-11-27 1999-11-26 パワ―電子部品 Pending JP2000164780A (ja)

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