JP2004525503A - 改善された一時的熱インピーダンスを有するパワーモジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの電子パワー構成要素、ＤＣＢセラミック基材、冷却装置、および少なくとも１つの追加熱キャパシタを具備する電子パワーモジュールに関する。本発明によれば、ａ）電子パワー構成要素は、それらの下部層上で、焼結層によってＤＣＢセラミック基材の上部銅層に接合され、ｂ）ＤＣＢセラミック基材の上部銅層は、パワー構成要素と電気的に接触させるための銅片導体の形で構成され、ｃ）ＤＣＢセラミック基材の下部銅層は、焼結層によって冷却本体に接合され、ｄ）パワー構成要素の上面は焼結層によって追加熱キャパシタに接合される。

Description

【０００１】
本発明は、例えば高パワーコンバータ、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、パワーダイオード、あるいはＤＣＢセラミック上のパワーデバイスの組合せのような電子パワーデバイスを具備する構成に関する。パワーデバイスのＤＣＢセラミックは、パワーデバイスの散逸パワーを排除するために、ヒートシンクによって直接冷却される。
【０００２】
パワーデバイスと電気コンタクト層との間の熱抵抗を低減するために、溶剤内に金属粉末、好ましくは銀粉を含有するペーストを有するパワーデバイスを下面に提供し、圧力焼結処理を利用してこれらの前処理されたパワーデバイスを平面形のコンタクト層に接合することが欧州特許第０２４２６２６Ｂ１号公報において提案されている。平面形の接触部と、接触のための高熱伝導性銀の使用とによってパワーデバイスとコンタクト層との間の熱移動が改良されることが可能となった。
【０００３】
パワーデバイスの冷却における他の改良は、過去に、いわゆるＤＣＢセラミック（ＤＣＢ＝直接銅ボンディング）を用いて成功している。このために、独国特許出願公開第１９７００９６３Ａ１号明細書では、銅で両面を積層したセラミック基板上で、パワーデバイスをＤＣＢセラミックの上面にはんだ付けし、ＤＣＢセラミックの下面をリードフレームとして働く金属板上にはんだ付けすることが提案されている。この金属板は、接合された冷却装置に分散された熱を与える。ＤＣＢセラミックの上部銅層は、構成（中断）されることによって、パワーデバイスとそれらの下面で接触させるための導体トラックが形成される。パワーデバイスの更なる接触は、結合線を用いてそれらの上面で行われる。
【０００４】
一方がコンタクト層上にパワーデバイスを圧力焼結し、他方が冷却装置への金属板の更なる接合のための金属板上にＤＣＢセラミックをはんだ付けする、上述した２つの処理方法の利点を組み合わせることが望まれた場合、パワーデバイスを構成するための少なくとも２つの異なる処理技術、すなわち圧力焼結およびはんだ付け技術を採用しなければならない。冷却装置への接合を行うためには、パワーデバイスの金属ベースプレートが熱伝導性ペーストによって従来方法で冷却装置に接合されるので、一般に、更なる処理技術も必要となる。但し、パワーデバイスの構成および接合技術に多数の異なる処理技術を使用すると、パワーデバイスを製造する処理が複雑且つ高価となる。
【０００５】
上述の従来技術に基づき、本発明による目的は、熱負荷の変動に大きく影響されない改良された熱的挙動を有するパワーモジュールを提供することである。
【０００６】
本発明によれば、この目的は、圧力焼結処理によって単に接合されるだけの構成のパワーモジュールによって達成される。一時的熱的挙動についてのさらなる改良のため、パワーデバイスには、追加的熱キャパシタンスが取り付けられる。
【０００７】
本発明による電子パワーモジュールは、少なくとも１つの電子パワーデバイス、ＤＣＢセラミック基板、ヒートシンク、および少なくとも１つの追加的熱キャパシタンスを具備し、
ａ）電子モジュールデバイスは、それらの下面の焼結層によってＤＣＢセラミック基板の上部銅層に接合され、
ｂ）ＤＣＢセラミック基板の上部銅層は、パワーデバイスの電気的接触のための銅導体トラックに構成され、
ｃ）ＤＣＢセラミック基板の下部銅層は、焼結層によってヒートシンクに接合され、
ｄ）パワーデバイスの上面は、焼結層によって追加熱キャパシタンスに接合される。
【０００８】
本発明によるパワーモジュールの更なる有利な実施形態は、従属請求項に包含される。
【０００９】
下記の利点は主に本発明によって達成される。
【００１０】
ヒートシンク上にモジュールを搭載するために、パワーモジュールの従来のモジュール構造内に使用される金属ベースプレートを不要にすることで、パワーデバイスからヒートシンク内への放熱の熱除去が改良される。ヒートシンクへのＤＣＢセラミックの直接接合は、従来の構造と比べて本発明によるパワーモジュールの定常状態熱抵抗を５０％まで改良する。
【００１１】
従来のベースプレートを不要にすることでもたらされる構造の体積低減も、一時的熱的挙動に対して重大な要素である、構造の熱キャパシタンスを低減する効果がある。一時的熱負荷の下でも最適に本発明によるパワーモジュールの改良熱移動を利用するために、パワーモジュールは、パワーデバイスの表面に追加熱キャパシタンスを包含する。その結果、一時的に起こる放熱パワーのピーク値が熱キャパシタンス内で緩衝され、パワーモジュールの一時的熱的挙動が改良される。パワーデバイスに直接配置された熱キャパシタンスによって、パワーモジュールの一時的熱抵抗が、２５〜３０％だけ、好ましくは半分まで低減される。
【００１２】
パワーモジュールを構成するための接合技術としての圧力焼結プロセスの限定的使用により、熱負荷変動に関するその負荷変動抵抗が、従来のはんだ付け技術によって構成されたパワーモジュールと比べて決定的に増加する。マイナス５５℃から１２５℃までの温度範囲内の熱負荷変動の下、少なくとも１２の因数だけ負荷変動抵抗の増加は、はんだ付け接合によって構成されたパワーモジュールと比べて圧力焼結接合技術によって構成されたパワーモジュールで達成可能となる。
【００１３】
はんだ付け処理と比べると、焼結接合は、固相反応の結果として生成される。これは、２１５℃から２５０℃までの範囲内の処理温度で生成される圧力焼結接合を、同温度あるいはそれよりも高い動作温度下で使用できるという結果を有する。一方で、同処理温度での次の構成要素の実装がゆえに可能となるので、異なる溶融温度のはんだではんだ付けを行うという問題がもはや生じない。他方、圧力焼結技術は、このために不可欠な処理技術における改造無しで、ＳｉＣベース（炭化珪素ベース）上への将来のパワーデバイスの構成にも使用できる。
【００１４】
更なる利点は、圧力焼結接合の品質にある。特に、大表面積の場合、はんだ付け接合内には、たいていボイド（空気封入）が存在する。これらのボイドは、ときにははんだ付け接合の５０％まで占め、結果的に熱抵抗を上昇させることになる。圧力焼結接合は、他方、大表面積に対してさえも、ボイドのない品質で３０マイクロメートル未満の薄い層厚みで生成されることができる。
【００１５】
本発明の典型的実施形態を図に基づいて以下でより詳細に提示し、説明する。
【００１６】
図１において、２つのパワーデバイス１、好ましくは半導体パワーデバイスは、銅層３上に圧力焼結層２で実装されている。銅層３は、パワーデバイスをそれらの下面で電気的に接触させる働きをする。このために、銅層は、多数の独立した導体トラックを形成するように構成あるいは中断されても良い。その結果、多数のパワーデバイスでも、互いに関係なく接触することができる。銅層３は、いわゆるＤＣＢセラミック（直接銅結合セラミック）の一構成部分である。ＤＣＢセラミックは、上部銅層３、セラミック層４および下部銅層５を具備する。セラミック層４は、例えば、酸化アルミニウムから、好ましくはＡｌ_２Ｏ_３から形成される。下部銅層は、銅ヒートシンク６に構造体をさらに接合する働きをする。この接合は、更なる圧力焼結層７によっても生成される。銅ヒートシンクは、好ましくは冷却チャネル８で形成されるので、大量の分散パワーでさえも冷却チャネル内に流れる冷却媒体で排除されることができる。銅ヒートシンク６は、主にパワーデバイス１の定常状態冷却を実行する。一時的に起こるパワーデバイスの一時的熱負荷に対して、追加熱キャパシタンス９、９ａ、９ｂがパワーデバイスの上面に取り付けられる。これらの熱キャパシタンスは、パワーデバイス１上の圧力焼結層１０によっても取り付けられる。好ましい実施形態において、熱キャパシタンス９は、モリブデンから製造される。
【００１７】
圧力焼結接合層２、７、１０は、それぞれ接合される表面部分の少なくとも一方に塗布される溶剤に沈殿した銀粉によって生成される。続いて、沈殿防止剤を、１５０℃〜２５０℃の温度で蒸発させる。接合されるべき表面部分を、一方が他方の上から積み重なるように配置し、銀層を２１５℃〜２５０℃の温度で、１〜２分間にわたり４０Ｍｐａの圧力で押圧する。押圧中、圧力が液圧条件を達成するために、シリコンゴムを介してデバイスに結合される。
【００１８】
接合されるべき表面部分は、使用されるべき圧力焼結処理のため非酸化状態でなければならない。ゆえに、表面部分を接合する前に、存在する可能性のある酸化膜を除去するためにそれらを適切に処理することが推奨される。他の可能性としては、銀または金のような、貴金属の層で、それぞれ互いに接合される構成要素を金属化することである。金メッキは、酸化膜が長期保存されていても個々の構成要素の表面に形成するのを、確実に防止する。パワーモジュールの特に好ましい構造では、パワーデバイス１、ＤＣＢセラミック３、４、５、銅ヒートシンク６、および熱キャパシタンス９、９ａ、９ｂ、１２が、ゆえにそれぞれ金メッキされる。
【００１９】
パワーデバイスの更なる接触に関しては、電気コンタクト１１ａ、１１ｂが熱キャパシタンス９、９ａ、９ｂのそれらの上面に取り付けられても良い。多数のコンタクトが上面に取り付けられることになる場合、異なるコンタクト１１ａ、１１ｂがモリブデン製の単一熱キャパシタンスによって短絡されるので、多数の独立した熱キャパシタンスを上面に取り付けることも推奨される。パワーモジュールの上面への追加的接触は、従来の結合線技術により構成されることができる。パワーモジュール構造における圧力焼結層の融解は、文頭で説明したように、ここでは懸念する必要はない。但し、可能であれば、圧力焼結技術も、コンタクト１１ａ、１１ｂに対して推奨できる。図１では、追加上部電気コンタクト１１ａ、１１ｂは、ゆえに、圧力焼結処理によってパワーモジュールに同様に接合される銅ラグとして形成される。従来の結合線接触構造についての説明は省略している。モリブデン熱キャパシタンスへの銅ラグの表面部分の圧力焼結接合は、熱キャパシタンスから銅ラグへの放熱を追加的に促進させる。
【００２０】
図２の典型的実施形態では、図１における３つの独立したモリブデン熱キャパシタンスは、ＤＣＢセラミックの形態の単一熱キャパシタンス１２に置き換えられる。このＤＣＢセラミックもまた、下部銅層１３、セラミック層１４および上部銅層１５によって形成される。この典型的実施形態においても、単一熱キャパシタンス１２が、圧力焼結層１０によって電子パワーデバイス１の上面に取り付けられる。パワーデバイス１の上面での接触のために、ＤＣＢセラミックの下部銅層１３は、導体トラックがパワーデバイスの独立した接合のために銅層に形成されるように、構成且つ中断されても良い。単一熱キャパシタンスの形成は、たった１つの構成要素しかパワーデバイスの上面に接合されなくても良いので、パワーモジュールの構成において利点を有する。パワーデバイスを電気的に切り換えるために上面に実装されたＤＣＢセラミックを使用すると、パワーデバイスの低誘導接触ともなるので、切換損失が回避され、パワーデバイスの切換時間も短縮される。ＤＣＢセラミックは、好ましくはアルミニウム−炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）セラミックで形成される。
【００２１】
実験室の試験では、２〜３ミリメートルの層厚さが図１の典型的実施形態からのモリブデン熱キャパシタンスに特に有利であることを示した。２ミリメートルの厚さのモリブデン熱キャパシタンスを用いると、本発明によるパワーモジュールの一時的熱抵抗と定常状態熱抵抗との両方を、はんだ付け接合技術により、且つ熱キャパシタンスの追加も必要なく従来方法で構成されたパワーモジュールと比べて半減することができる。一時的熱抵抗は、この場合、経時平均した定常状態分散パワーに対する一時的熱負荷の下でのパワーデバイスの最大温度変化の比として定義される。熱抵抗が半減すると、本発明によるパワーモジュールが従来のパワーモジュールと比べて、動作できる分散パワー密度の倍増が可能となる。
【００２２】
熱抵抗はまた、図２の典型的実施形態と多少対応するように、上面に配置されたＤＣＢセラミックの熱キャパシタンスによってかなり改良される。但し、ＤＣＢセラミックの熱キャパシタンスの熱抵抗の半減を達成するために、０．８ミリメートルの厚さのモリブデン層が、上面に配置されたＤＣＢセラミックとパワーデバイスとの間に提供されなければならない。
【００２３】
圧力焼結処理によって構成されたパワーモジュールは、高周囲温度、および何度も熱負荷変動が起こる周囲条件下での使用に特に適している。半導体デバイスに対する高温や頻繁な熱負荷変動がある環境は、例えば、自動車の内燃機関の直ぐ近く（エンジンルーム内）に見られる。このような用途においては、パワーデバイスは、ＳｉＣパワーデバイスが有利である。炭化珪素を基礎にした半導体デバイスは、約２５０℃までの高温での用途に対し不可欠な熱安定性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】上面にモリブデンの熱キャパシタンスを搭載した本発明による水冷パワーモジュールの概略構造を示す。
【図２】上面にＤＣＢセラミックを搭載した本発明による水冷パワーモジュールの概略構造を示す。

Claims (13)

1. 少なくとも１つの電子パワーデバイス（１）と、ＤＣＢセラミック基板（３、４、５）と、ヒートシンク（６）と、少なくとも１つの追加熱キャパシタンス（９、９ａ、９ｂ、１２）とを具備する電子パワーモジュールであって、
   ａ）前記電子パワーデバイス（１）は、それらの下面が焼結層（２）によって前記ＤＣＢセラミック基板の上部銅層（３）に接合され、
   ｂ）前記ＤＣＢセラミック基板の上部銅層（３）は、前記パワーデバイス（１）の電気接触用の銅導体トラックに構成され、
   ｃ）前記ＤＣＢセラミック基板の下部銅層（５）は、焼結層（７）によって前記ヒートシンクに接合され、
   ｄ）前記パワーデバイス（１）の上面は、焼結層（１０）によって少なくとも１つの前記追加熱キャパシタンス（９、９ａ、９ｂ、１２）に接合される、電子パワーモジュール。
2. 前記焼結層（２、７、１０）が、２１０℃〜２５０℃の範囲内の温度、および４０メガパスカルの圧力の下で作製される、請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記追加熱キャパシタンス（９、９ａ、９ｂ）がモリブデンから作製される、請求項１あるいは２に記載のパワーモジュール。
4. 前記追加熱キャパシタンス（１２）がＤＣＢセラミックである、請求項１あるいは２に記載のパワーモジュール。
5. 前記追加熱キャパシタンス（９、９ａ、９ｂ、１２）が、複合材料ＡｌＳｉＣから形成される、請求項１あるいは２に記載のパワーモジュール。
6. モリブデン層が、前記追加熱キャパシタンス（１２）と前記パワーデバイス（１）との間にそれぞれ配置される、請求項４に記載のパワーモジュール。
7. 前記パワーデバイス（１）が、それらの上面が前記追加熱キャパシタンス（９、９ａ、９ｂ、１２）によってそれぞれ接触されることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載のパワーモジュール。
8. 前記パワーデバイス（１）の接触が、結合線接触によってそれらの上面で行われる、請求項７に記載のパワーモジュール。
9. 前記パワーデバイス（１）の接触が、焼結層によって前記追加熱キャパシタンス（９ａ、９ｂ）に接合される銅ラグ（１１ａ、１１ｂ）によって行われる、請求項７に記載のパワーモジュール。
10. 前記パワーデバイス（１）の接触が、ＤＣＢセラミックとして形成される前記追加熱キャパシタンス（１２）の下部銅層（１３）によって行われる、請求項７に記載のパワーモジュール。
11. 前記ヒートシンク（６）が銅ヒートシンクである請求項１〜１０のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
12. 前記ヒートシンク（６）が、前記パワーデバイス（１）の放熱を吸収させるための冷却媒体がその内部を流れる冷却チャネル（８）を追加的に有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
13. 前記パワーデバイス（１）がＳｉＣパワーデバイスである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のパワーモジュール。