JP2001223310A - 高出力半導体モジュール用冷却デバイス - Google Patents
高出力半導体モジュール用冷却デバイスInfo
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 容易に製造でき低コストの冷却デバイス。
【解決手段】 高出力半導体モジュール用の冷却デバイ
スは、冷却器下部分(1)と冷却器上部分(2)を備え、冷却
器上部分(2)は、一体材料接合により冷却器下部分(1)に
接合される。冷却器上部分(2)は、少なくとも１つの半
導体素子(4)を取付けるための、金属マトリックス複合
材で出来た冷却プレート(20)を有する。金属縁(21)が冷
却プレート(20)上に一体に形成され、冷却器上部分(2)
と冷却器下部分(1)を一体材料接合できるようにする。
この結果、容易に製造できコストが低い冷却デバイスが
出来る。
スは、冷却器下部分(1)と冷却器上部分(2)を備え、冷却
器上部分(2)は、一体材料接合により冷却器下部分(1)に
接合される。冷却器上部分(2)は、少なくとも１つの半
導体素子(4)を取付けるための、金属マトリックス複合
材で出来た冷却プレート(20)を有する。金属縁(21)が冷
却プレート(20)上に一体に形成され、冷却器上部分(2)
と冷却器下部分(1)を一体材料接合できるようにする。
この結果、容易に製造できコストが低い冷却デバイスが
出来る。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワーエレクトニ
クスの分野に関する。本発明は、請求項１の前提部に記
載された高出力半導体モジュール用の冷却デバイスと、
請求項７の前提部に記載されたこのような冷却デバイス
の製造方法に関する。
クスの分野に関する。本発明は、請求項１の前提部に記
載された高出力半導体モジュール用の冷却デバイスと、
請求項７の前提部に記載されたこのような冷却デバイス
の製造方法に関する。
【０００２】
【０００３】EP-A 0,597,144に記載された高出力半導体
モジュールは、多数の半導体素子（例えばサイリスタ、
ＩＧＢ、又はダイオード）を有し、これらは共通のハウ
ジング内に組合されて、論理機能単位を形成する。この
ような高出力半導体モジュールは、今日では6.5ｋＶま
での電圧範囲で作動し、適当な冷却が必要である。この
目的のため、半導体素子は、共通の冷却デバイス上にロ
ー付けされ、一般に冷却デバイスを通って冷却流体が流
れる。一般に冷却デバイスとして、アルミニウムのヒー
トシンクが使用される。しかし、アルミニウムの熱膨張
係数は、対応する半導体素子特に電気絶縁プレート又は
半導体チップの熱膨張係数と一致しないという欠点があ
る。その結果、機械的応力が生じ、そのため半導体素子
と冷却デバイスの間の半田層に疲労が起こり、電気的接
触が分離される。
モジュールは、多数の半導体素子（例えばサイリスタ、
ＩＧＢ、又はダイオード）を有し、これらは共通のハウ
ジング内に組合されて、論理機能単位を形成する。この
ような高出力半導体モジュールは、今日では6.5ｋＶま
での電圧範囲で作動し、適当な冷却が必要である。この
目的のため、半導体素子は、共通の冷却デバイス上にロ
ー付けされ、一般に冷却デバイスを通って冷却流体が流
れる。一般に冷却デバイスとして、アルミニウムのヒー
トシンクが使用される。しかし、アルミニウムの熱膨張
係数は、対応する半導体素子特に電気絶縁プレート又は
半導体チップの熱膨張係数と一致しないという欠点があ
る。その結果、機械的応力が生じ、そのため半導体素子
と冷却デバイスの間の半田層に疲労が起こり、電気的接
触が分離される。
【０００４】それゆえ、ドイツ特許公開DE-A-196,43,71
7は、半導体素子と熱膨張係数が一致する冷却デバイス
を提案する。この目的に使用される冷却デバイスは、金
属マトリックス複合材から、特にアルミニウム炭化珪素
（ＡｌＳｉＣ）又は銅炭化珪素（ＣｕＳｉＣ）から作ら
れる。このような金属セラミック複合材料の製造は、例
えば、James A. Cornieの Advanced Pressure Infiltra
tion Casting Technology Produces Near-Absolute Net
-Shape Metal Matrix Composite Components Cost Comp
etitively, Materials Technology, Vol.10, No.34, Ma
rch/April, 1995（高度圧力溶浸鋳造技術がほぼ完全な
ネットシェープ金属マトリックス複合素子を競争力ある
コストで造る、材料技術、10巻34号、1995年3/4月）に
記載されている。
7は、半導体素子と熱膨張係数が一致する冷却デバイス
を提案する。この目的に使用される冷却デバイスは、金
属マトリックス複合材から、特にアルミニウム炭化珪素
（ＡｌＳｉＣ）又は銅炭化珪素（ＣｕＳｉＣ）から作ら
れる。このような金属セラミック複合材料の製造は、例
えば、James A. Cornieの Advanced Pressure Infiltra
tion Casting Technology Produces Near-Absolute Net
-Shape Metal Matrix Composite Components Cost Comp
etitively, Materials Technology, Vol.10, No.34, Ma
rch/April, 1995（高度圧力溶浸鋳造技術がほぼ完全な
ネットシェープ金属マトリックス複合素子を競争力ある
コストで造る、材料技術、10巻34号、1995年3/4月）に
記載されている。
【０００５】この冷却デバイスは、冷却面積を増し熱伝
達を改善するため、スタッド又はリブの形の冷却要素を
有するのが好ましく、そのため比較的複雑な幾何学的形
状を有する。第１の実施の形態では、冷却デバイスは、
金属マトリックス複合材から一体的に鋳造される。しか
し、このような冷却デバイスは、特に複雑な形状であれ
ば製造が高くつき、さらにこれらは比較的高価な材料で
出来ているので、比較的高価である。他の実施の形態で
は、冷却プレートのみが金属マトリックス複合材で出来
ていて、残りの部分は低コスト材料、特にプラスチック
で出来ていて、２つの部品を接合する。この実施の形態
の欠点は、接合した接合部が時間の経過により疲労現象
を生じることである。
達を改善するため、スタッド又はリブの形の冷却要素を
有するのが好ましく、そのため比較的複雑な幾何学的形
状を有する。第１の実施の形態では、冷却デバイスは、
金属マトリックス複合材から一体的に鋳造される。しか
し、このような冷却デバイスは、特に複雑な形状であれ
ば製造が高くつき、さらにこれらは比較的高価な材料で
出来ているので、比較的高価である。他の実施の形態で
は、冷却プレートのみが金属マトリックス複合材で出来
ていて、残りの部分は低コスト材料、特にプラスチック
で出来ていて、２つの部品を接合する。この実施の形態
の欠点は、接合した接合部が時間の経過により疲労現象
を生じることである。
【０００６】欧州特許公開EP-A-0,661,917には、別の冷
却デバイスが開示される。この冷却デバイスは、冷却器
下部分と冷却器上部分を備え、一体材料接合により、冷
却器下部分は冷却器上部分に接合される。両方の冷却器
部分は、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、例えばア
ルミニウム炭化珪素で出来ている。冷却器部分の間の一
体材料接合は、製造工程中に行われる。この目的のた
め、冷却器部分のセラミックプレフォームが最初に製造
され、次のこれらの一方を他方の上に配置し、次に両方
の部分の中に金属を溶浸させる。接合溶浸では、金属が
毛管作用により両方に部分のポアを通って、これらを一
体に接合する。製造が複雑で、金属を選択しなければな
らないので、これらの冷却デバイスもまた比較的高価で
ある。接合の品質は毛管作用によるので、冷却器部分の
形状によっては十分に緻密な複合材を作るのが困難であ
る。
却デバイスが開示される。この冷却デバイスは、冷却器
下部分と冷却器上部分を備え、一体材料接合により、冷
却器下部分は冷却器上部分に接合される。両方の冷却器
部分は、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、例えばア
ルミニウム炭化珪素で出来ている。冷却器部分の間の一
体材料接合は、製造工程中に行われる。この目的のた
め、冷却器部分のセラミックプレフォームが最初に製造
され、次のこれらの一方を他方の上に配置し、次に両方
の部分の中に金属を溶浸させる。接合溶浸では、金属が
毛管作用により両方に部分のポアを通って、これらを一
体に接合する。製造が複雑で、金属を選択しなければな
らないので、これらの冷却デバイスもまた比較的高価で
ある。接合の品質は毛管作用によるので、冷却器部分の
形状によっては十分に緻密な複合材を作るのが困難であ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、初め
に記載した種類の冷却デバイスを低コストで容易に提供
することである。この目的は、請求項１に記載した冷却
デバイスと、請求項７に記載した冷却デバイスの製造方
法により達成される。
に記載した種類の冷却デバイスを低コストで容易に提供
することである。この目的は、請求項１に記載した冷却
デバイスと、請求項７に記載した冷却デバイスの製造方
法により達成される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による冷却デバイ
スは、冷却器下部分と冷却器上部分を備え、冷却器上部
分は、金属マトリックス複合材、好ましくはアルミニウ
ム炭化珪素で出来た冷却プレートを有し、その上に金属
縁が一体に形成されている。この場合、２つの冷却器部
分は、一体材料接合により金属縁を介して相互に接合さ
れる。
スは、冷却器下部分と冷却器上部分を備え、冷却器上部
分は、金属マトリックス複合材、好ましくはアルミニウ
ム炭化珪素で出来た冷却プレートを有し、その上に金属
縁が一体に形成されている。この場合、２つの冷却器部
分は、一体材料接合により金属縁を介して相互に接合さ
れる。
【０００９】冷却プレートと金属縁は、冷却プレートを
形成するためのセラミックプレフォームの金属溶浸中
に、余分な金属を使用して金属縁を形成することによ
り、同じ製造ステップで製造することが出来る。
形成するためのセラミックプレフォームの金属溶浸中
に、余分な金属を使用して金属縁を形成することによ
り、同じ製造ステップで製造することが出来る。
【００１０】金属縁を冷却プレート上に一体に形成する
と、冷却器上部分と冷却器下部分の間に簡単な方法によ
り強力で長期間使用できる接合をすることが出来る。冷
却器下部分は、容易に形成し処理できる低コスト材料、
特にアルミニウムで作ることが出来る。冷却器下部分の
材料を好適に選択すると、接合部の応力と欠陥を防止す
ることが出来る。冷却器下部分は、冷却器上部分と同じ
材料で出来ているのが好ましい。接合方法として、摩擦
圧接が好ましい。冷却デバイス内で熱は局部的にしか影
響しないからである。
と、冷却器上部分と冷却器下部分の間に簡単な方法によ
り強力で長期間使用できる接合をすることが出来る。冷
却器下部分は、容易に形成し処理できる低コスト材料、
特にアルミニウムで作ることが出来る。冷却器下部分の
材料を好適に選択すると、接合部の応力と欠陥を防止す
ることが出来る。冷却器下部分は、冷却器上部分と同じ
材料で出来ているのが好ましい。接合方法として、摩擦
圧接が好ましい。冷却デバイス内で熱は局部的にしか影
響しないからである。
【００１１】このような冷却デバイスは、金属マトリッ
クス複合材で出来た公知の冷却素子の利点を公知のアル
ミニウム冷却器の利点と組合せ、簡単に低コストで製造
することが出来る。特別の縁は、冷却器の下部分に簡単
な方法で接合することが出来、欠陥を防止することが出
来る。別の有利な実施例は、従属する請求項から明らか
である。
クス複合材で出来た公知の冷却素子の利点を公知のアル
ミニウム冷却器の利点と組合せ、簡単に低コストで製造
することが出来る。特別の縁は、冷却器の下部分に簡単
な方法で接合することが出来、欠陥を防止することが出
来る。別の有利な実施例は、従属する請求項から明らか
である。
【００１２】
【発明の実施の形態及び実施例】次に、説明のための実
施例により、添付の図面を参照して、本発明をより詳し
く説明する。
施例により、添付の図面を参照して、本発明をより詳し
く説明する。
【００１３】図１と２は、本発明による冷却デバイスを
示す。これは、半シェルの形の冷却器下部分1と、本質
的にプレートの形の冷却器上部分2とを備える。冷却器
下部分1と冷却器上部分2は、空洞3を囲み、ここを通っ
て冷却媒体特に水が流れるのが好ましい。このために必
要な入口と出口開口部10,11が、冷却器下部分1に配置さ
れる。冷却器下部分1は、容易に成形できる低コスト材
料、特に金属（例えば、アルミニウム又は銅）から作ら
れる。ここに示す例では、冷却器下部分1は矩形の外形
であるが、他の形状でも良い。
示す。これは、半シェルの形の冷却器下部分1と、本質
的にプレートの形の冷却器上部分2とを備える。冷却器
下部分1と冷却器上部分2は、空洞3を囲み、ここを通っ
て冷却媒体特に水が流れるのが好ましい。このために必
要な入口と出口開口部10,11が、冷却器下部分1に配置さ
れる。冷却器下部分1は、容易に成形できる低コスト材
料、特に金属（例えば、アルミニウム又は銅）から作ら
れる。ここに示す例では、冷却器下部分1は矩形の外形
であるが、他の形状でも良い。
【００１４】冷却器上部分2は、金属マトリックス複合
材、特に炭化珪素複合材で出来た冷却プレート20を有す
る。冷却プレート20は、アルミニウム炭化珪素（ＡｌＳ
ｉＣ）で出来ているのが好ましい。しかし、銅炭化珪素
（ＣｕＳｉＣ）又は炭化銅（ＣｕＣ）を使用することも
出来る。冷却プレート20の上面20'（冷却器下部分1の反
対側を向く）は、平面に設計され、ＩＧＢＴ、サイリス
タ、ダイオード等の半導体素子4を置くのに使用され
る。半導体素子4は、冷却プレート20の上に直接ロー付
けされるのが好ましい。これは、特に半導体素子4が窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）で出来た下面を有するとき
は、問題を起こさない。この材料の熱膨張係数は、アル
ミニウム炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）の熱膨張係数と近いか
らである。
材、特に炭化珪素複合材で出来た冷却プレート20を有す
る。冷却プレート20は、アルミニウム炭化珪素（ＡｌＳ
ｉＣ）で出来ているのが好ましい。しかし、銅炭化珪素
（ＣｕＳｉＣ）又は炭化銅（ＣｕＣ）を使用することも
出来る。冷却プレート20の上面20'（冷却器下部分1の反
対側を向く）は、平面に設計され、ＩＧＢＴ、サイリス
タ、ダイオード等の半導体素子4を置くのに使用され
る。半導体素子4は、冷却プレート20の上に直接ロー付
けされるのが好ましい。これは、特に半導体素子4が窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）で出来た下面を有するとき
は、問題を起こさない。この材料の熱膨張係数は、アル
ミニウム炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）の熱膨張係数と近いか
らである。
【００１５】熱伝達を増加するため使用するスタッド又
は冷却リブの形の冷却要素22が、冷却プレート20の冷却
器下部分1に向いた下面上に設けられる。冷却プレート2
0は、その端面20"で完全に金属縁21により取囲まれる。
金属縁21は、金属マトリックス複合材に使用されたのと
同じ金属、特にアルミニウム（Ａｌ）で出来ているのが
好ましい。冷却器下部分1もまた、同じ金属で出来てい
るのが好ましい。
は冷却リブの形の冷却要素22が、冷却プレート20の冷却
器下部分1に向いた下面上に設けられる。冷却プレート2
0は、その端面20"で完全に金属縁21により取囲まれる。
金属縁21は、金属マトリックス複合材に使用されたのと
同じ金属、特にアルミニウム（Ａｌ）で出来ているのが
好ましい。冷却器下部分1もまた、同じ金属で出来てい
るのが好ましい。
【００１６】冷却プレート20の典型的な厚さは、2〜4ｍ
ｍである。金属縁21の幅ｂは、典型的には5〜20ｍｍで
ある。金属縁21と冷却プレート20とは、同じ厚さが好ま
しい。図２に示すように、冷却プレート20と金属縁21
は、矩形である。しかし、他の形状でも良い。
ｍである。金属縁21の幅ｂは、典型的には5〜20ｍｍで
ある。金属縁21と冷却プレート20とは、同じ厚さが好ま
しい。図２に示すように、冷却プレート20と金属縁21
は、矩形である。しかし、他の形状でも良い。
【００１７】冷却器上部分2は冷却器下部分1上にあり、
一体材料接合により接合される。図１の5で示されるこ
の接合は、この場合金属縁21を介して行われる。ここに
示す実施例では、金属縁21は平面に設計され、冷却器下
部分1の周囲に沿って円く形成された段12上にある。し
かし、他の形状でも良い。
一体材料接合により接合される。図１の5で示されるこ
の接合は、この場合金属縁21を介して行われる。ここに
示す実施例では、金属縁21は平面に設計され、冷却器下
部分1の周囲に沿って円く形成された段12上にある。し
かし、他の形状でも良い。
【００１８】冷却器上部分2は、金属マトリックス複合
材から冷却プレート20を製造し、その上に金属縁21を一
体に形成することにより、簡単な方法で製造することが
出来る。金属縁21の製造と金属マトリックス複合材の製
造は、同じ処理ステップで行うことが出来る。図３を参
照して、この方法の好適な変形を説明する。多孔性セラ
ミックプレート2'の形のプレフォームをそれより大きい
モールド6内に置き、セラミックプレート2'の端面20"
が、モールド6の壁面60と共に外周に沿った中間空間7を
形成するようにする。従来技術で行うように、セラミッ
クプレート2'に金属8を溶浸する。このプロセスで、金
属8は中間の空間7にも鋳造される。次に金属が凝固する
と、第１に金属マトリックス複合材からなる冷却プレー
ト20が出来、第２に金属縁21ができる。金属縁21の形状
は、モールド6の形状により決まる。
材から冷却プレート20を製造し、その上に金属縁21を一
体に形成することにより、簡単な方法で製造することが
出来る。金属縁21の製造と金属マトリックス複合材の製
造は、同じ処理ステップで行うことが出来る。図３を参
照して、この方法の好適な変形を説明する。多孔性セラ
ミックプレート2'の形のプレフォームをそれより大きい
モールド6内に置き、セラミックプレート2'の端面20"
が、モールド6の壁面60と共に外周に沿った中間空間7を
形成するようにする。従来技術で行うように、セラミッ
クプレート2'に金属8を溶浸する。このプロセスで、金
属8は中間の空間7にも鋳造される。次に金属が凝固する
と、第１に金属マトリックス複合材からなる冷却プレー
ト20が出来、第２に金属縁21ができる。金属縁21の形状
は、モールド6の形状により決まる。
【００１９】冷却デバイスを製造するため、冷却器上部
分2の金属縁21は、冷却器下部分1に接合する必要があ
る。この目的には、金属縁21と冷却器下部分1にアルミ
ニウムが使われるときは、摩擦圧接が好適である。本発
明によるＡｌＳｉＣのプレートとキャストオン(cast-o
n)アルミニウムの縁を有する冷却デバイスは、低コスト
で簡単な製造が出来、堅固で耐久性のある接合を得るこ
とが出来る。
分2の金属縁21は、冷却器下部分1に接合する必要があ
る。この目的には、金属縁21と冷却器下部分1にアルミ
ニウムが使われるときは、摩擦圧接が好適である。本発
明によるＡｌＳｉＣのプレートとキャストオン(cast-o
n)アルミニウムの縁を有する冷却デバイスは、低コスト
で簡単な製造が出来、堅固で耐久性のある接合を得るこ
とが出来る。
【図１】 本発明による冷却デバイスの断面図である。
【図２】 図１の冷却デバイスの上側からの斜視図であ
る。
る。
【図３】 金属縁を備える冷却プレートを製造するモー
ルドを通る断面図である。
ルドを通る断面図である。
1 冷却器下部分（半シェル） 10 入口開口部 11 出口開口部 12 段 2 冷却器上部分 2' セラミックプレート 20 冷却プレート 20' 上面 20" 端面 21 金属縁 22 冷却要素（スタッド、リブ） 3 空洞 4 半導体素子 5 接合 6 モールド 60 壁面 7 中間空間 8 金属 ｂ 金属縁の幅
Claims (10)
- 【請求項１】 高出力半導体モジュール用の冷却デバイ
スにおいて、 冷却器下部分(1)と冷却器上部分(2)を備え、 前記冷却器上部分(2)は、一体材料接合により前記冷却
器下部分(1)に接合され、 前記冷却器上部分(2)は、少なくとも１つの半導体素子
(4)を置くための、金属マトリックス複合材で出来た冷
却プレート(20)を有し、 前記冷却プレート(20)上に金属縁(21)が一体に形成さ
れ、前記冷却器上部分(2)と前記冷却器下部分(1)の間の
一体材料接合は、前記金属縁(21)を介して行われること
を特徴とする冷却デバイス。 - 【請求項２】 前記冷却プレート(20)は、前記金属縁(2
1)と同じ金属で出来ている請求項１に記載の冷却デバイ
ス。 - 【請求項３】 前記冷却器下部分(1)は、金属で出来て
いる請求項１に記載の冷却デバイス。 - 【請求項４】 前記金属縁(21)と前記冷却器下部分(1)
とは、同じ材料で出来ている請求項１に記載の冷却デバ
イス。 - 【請求項５】 前記冷却プレート(20)は、炭化珪素複合
材料で出来ている請求項１に記載の冷却デバイス。 - 【請求項６】 前記冷却プレート(20)は、アルミニウム
炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）で出来、前記金属縁(21)はアル
ミニウム（Ａｌ）で出来ている請求項１に記載の冷却デ
バイス。 - 【請求項７】 高出力半導体モジュール用の冷却デバイ
スの製造方法において、 冷却器下部分(1)と冷却器上部分(2)が形成され、前記冷
却器上部分(2)と前記冷却器下部分(1)とは、一体材料接
合により相互に接合され、 前記冷却器上部分(2)を形成するため、冷却プレート(2
0)が金属マトリックス複合材から製造され、その上に金
属縁(21)が一体に形成され、前記冷却器上部分(2)が、
前記金属縁(21)の手段により前記冷却器下部分(1)に接
合されることを特徴とする製造方法。 - 【請求項８】 前記冷却器上部分(2)を形成するため、
多孔性セラミックプレート(2')をモールド(6)内に置
き、前記セラミックプレート(2')の端面(20")が、前記
モールド(6)の壁面(60)と共に外周に沿った中間空間(7)
を形成し、前記セラミックプレート(2')上と前記中間空
間(7)内に金属(8)が鋳造され、前記金属(8)が凝固する
請求項７に記載した製造方法。 - 【請求項９】 前記金属(8)は、圧力溶浸の手段により
導入される請求項８に記載した製造方法。 - 【請求項１０】 前記金属縁(21)は、摩擦圧接の手段に
より前記冷却器下部分(1)に接合される請求項７に記載
した製造方法。
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