JP2006521025A - 多孔性金属ヒートシンクを有する電気バス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

半導体コンポーネントが導電性ヒートシンク（１６）へ半田付けされているモジュール（１８，１６）が形成されている。導電性ヒートシンク（１６）は電子デバイスの中で電気バス（２２）として機能するように形成されている。半導体コンポーネントのチップはヒートシンク（１６）の表面へ冶金的に結合されている。ヒートシンク（１６）はその内部を流れる熱伝導流体を使用している。ヒートシンクの内部は内部要素（２４）を含む。好ましい実施の形態においては、内部要素は銀めっきされた複数の銅ボールである。組み付けプロセスのときに、銅ボール（２４）は互いに対しても、ヒートシンクの壁に対してもろう付けされる。基本的に、ヒートシンクハウジングは銅で形成されている。その一つの表面はモリブデンで形成されており、ヒートシンクハウジング（１６１）のモリブデン表面の膨張及び収縮がチップのシリコン基板のそれと同様である。それにより、熱による曲げに起因してチップ基板にクラックや割れが生じるという問題が避けられる。

Description

この特許願は、2000年11月7日に出願された本発明者による同時係属出願第09/708,182号の一部継続出願であり、その全体が本願において文献援用される。

発明の分野
この発明は半導体コンポーネントからの熱を消散させるための手段を有する電気バスに関する。さらに詳しくは、この発明は、表面に半導体コンポーネントが取り付けられた導電性の多孔性金属ヒートシンクを有するモジュールである。半導体コンポーネントはヒートシンクへ半田付けによって直接又は冶金的に(metallurgically)取り付けられる。この発明は、また、電子デバイス用の多孔性金属ヒートシンクを製造する方法にも関する。

発明の背景
多くの電子コンポーネントはその動作時に熱を発生する。この特性は、電子デバイスが電力を発生したり、輸送したり、あるいは変換したりするために使用される場合に特に重大である。本出願人が関係する特許願（上で参照したもの）に記載されているこの効果の優れた例は、電気トラクションモータに使用されているインバータである。機関車、道路走行車両及び非道路走行車両を含む大型の電気車両は、車両の車輪あるいはトラックを回転させる電気駆動式のトラクションモータによって駆動される。これらのトラクションモータは交流電力で動作するが、車両のエネルギ源によって供給される電力は一般的には直流である。従って、この直流電力はインバータにおいて交流電力へ変換されなければならない。さらに、そうしたトラクションモータの回転速度は通常は交流電力の周波数によって制御される。発電整流／反転／電圧制御／周波数制御システム（以後、電力コンバータと要約する）は、多数の半導体デバイス、半導体デバイスを制御するための集積回路を使用する必要があり、それらはすべて大量の熱を発生する。他の多くの電気的用途でも、半導体デバイスやそれを制御するための集積回路を使用する必要性がある。従って、それらも、発生した熱を消散する何らかの手段が必要である。

電気車両で使用される電力コンバータにおいて発生した熱を消散させるために、今日の車両は、空冷システム、水冷式のヒートシンクあるいは両方を組み合わせたものを使用している。同様に、今日の他の電子的用途も、何らかの熱消散方法を必要としており、その最も一般的なものは空冷である。現行の冷却方法はいくつかの問題点を抱えている。

何らかのデバイスを空冷するためには、十分な体積の空気を流して熱を取り除くために、デバイスのまわりに適切なスペースが設けられていなければならない。電気トラクションモータ用の電力コンバータという特定の場合には、トラクションモータは一般的に３相の交流を利用することから、6個のパワー半導体スイッチアセンブリ及び6個のダイオードを用いなければならない。モータの電気的要件のために、電力コンバータの中には、パワー半導体及びそれに付随するダイオード、センサ、スイッチドライバ回路などとともに、キャパシタバンク(capacitor bank)を設ける必要がある。従って、必要なコンポーネントの個数のために大きい空間が要求されることになる。この空間に関する要求は、電力コンバータのコンポーネントのまわりにおける空気の流れに対応させるためのスペースの必要性によって、さらにずっと厳しいものになる。この空間に関する要件の問題はすべての空冷式の電子デバイスに共通のものである。

冷却用の空気を流すためのオープンスペースに対する要求とまさに矛盾するのは、すべての電気デバイスは閉じた通気のない環境において最良の機能を発揮するという事実である。そうした環境は汚染物質が溜まる可能性を低下させる。汚染物質の集積は望ましい熱伝達を妨げるだけでなく、デバイスの電気的な故障を引き起こす可能性もある。従って、空冷は正に電気デバイスの機能にとって障害となる状況を作り出す可能性がある。

空冷によって引き起こされる問題のために、従来のいくつかのデバイスは、特に、ハイパワー用途において、さらに制御された環境を提供するために水冷を利用している。しかし、電力コンバータに適した水冷式のヒートシンクシステムは、一般的には、車両にはすぐには利用できない。従って、水冷式の電力コンバータを利用することは、そうでなければ必要とされない水冷システムを車両に含める必要性を生じることになる。従って、さらに多くのスペースが必要になる。さらに、水が有する導電性のために、電力コンバータのコンポーネントを水冷システムから電気的に絶縁することが必要である。その結果、それ自身、半導体スイッチ及びダイオードに対する冷却が不十分になってしまう。

従来の冷却方法を使用することによって生じる別の問題点、特に、電力コンバータに対する従来の冷却システムによって要望される寸法上の要求による問題点は、電力コンバータが電力コンバータだけのための専用のコンパートメントの中に収容された大きいユニットを有しているという事実によるものである。このため、制御及びフィードバックのシステムに対するリード線が、一般的には、2から10フィート(0.6-3m)というように、かなり長くされなければならない。長い線は短い線よりも、重量及び電気的な定格の両方において必然的に大きくなる。また、線が長くなると、信号を歪ませる可能性が著しく増大する。

大型の車両に適したハイパワー電気トラクションモータは、通常は、オイルで冷却され、従って、そうした車両はオイル冷却システムを必要とする。電力コンバータを冷却するためにオイルなどの絶縁性流体を利用することによって、ヒートシンクを電力コンバータ回路の一体化された部分とすることが可能である。従って、オイル冷却式ヒートシンクは、熱を発生する電子コンポーネントが直に取り付けられる電気パワーバスとしての機能を果たすことができる。電気バスをオイル冷却することによって達成される冷却性能の増強によって、これらの電子コンポーネントの電気性能は大きく向上され、従って、非常にコンパクトで高性能な電力コンバータが可能となる。トラクションモータを冷却するために使用される同じオイル冷却システムを使用して、電力コンバータを冷却することができる。従って、空間的要件は従来の空冷システム及び水冷システムよりもかなり少ない。

従って、この発明の目的は、著しく空間的要件が少なくなるように、電子コンポーネントが導電性ヒートシンクへ取り付けられるようなモジュールを提供することである。

この発明のさらに別の目的は、電子コンポーネントが一般的には平板状のアセンブリにおいて導電性ヒートシンクへ取り付けられ、それによって、インダクタンスが低減されるようなモジュールを提供することである。
この発明の別の目的は、導電性ヒートシンクをコンポーネント回路のアクティブ部分として組み込むことである。
この発明のさらに別の目的は、電子コンポーネントを導電性ヒートシンクへ冶金的に結合できるようにすることである。

この発明の導電性ヒートシンクの要件及び目的は以下の通りである。
１．ヒートシンクは、全体的に均一に分布された複数の流路を有し、冷却用流体を均一に分布させて流せるようになっていなければならない。
２．ヒートシンクの少なくとも一つの表面は、電子コンポーネントへ冶金的に結合するのに適した熱的及び電気的に伝導性を有する金属で形成されていなければならない。ヒートシンクの他の要素は、導電性ヒートシンクを製造するのに最適な特性を提供するような金属から構成されることができる。
３．ヒートシンクから熱交換流体へ対流によって熱を伝達するのに必要な十分な表面積−容積の関係が内部の流路に対して存在しなければならない。
４．熱と電気の伝導に対する抵抗を最小限に抑えるために、ヒートシンクのすべての金属コンポーネントが互いに冶金的に結合されていなければならない。
５．電子コンポーネントの冶金的な結合を可能にするように、導電性ヒートシンクの結合表面が形成されなければならない。
米国特許第6,347,452号明細書

この発明は、導電性ヒートシンクを有するモジュールであり、導電性ヒートシンクはその表面へ取り付けられた半導体コンポーネントを有し、半導体コンポーネントは導電性ヒートシンクの一つの表面へ半田付けによって直接及び冶金的に取り付けられる。この発明は、また、関係する電子コンポーネントを有するヒートシンクを製造する方法である。この発明によるモジュールで構成することができる電子デバイスの一つの例は、電気トラクションモータ用のオイル冷却式インバータである。6個のIGBTスイッチと12個のダイオードが電気バスとしても機能する各ヒートシンクへ冶金的に取り付けられ、３相のインバータのアセンブリにおいては、6個のそうしたモジュールが使用される。

この発明によるヒートシンクの好ましい実施の形態においては、中空の金属ハウジングにインレットポート及びアウトレットポートが設けられていて、冷却用流体をハウジングの中へ流せるようになっている。ハウジングには複数の金属ボールで満たされており、これらの金属ボールは接触箇所において冶金的に結合されていて、一つのボールから他のボールへの熱伝達を行うようになっているとともに、ボール間の隙間を貫く複数の流路を形成している。金属ボールは、熱を伝達し、ボール周囲のオープンスペースの中を流れる冷却用流体へその熱を消散させる機能を有している。ヒートシンクの多孔性金属から成る導電性内部要素を形成する別の方法は、金属ボールの替わりに、銅、真鍮、青銅、銀あるいはアルミニウムなどの導電性金属の加工ブロック、あるいは金属ウールあるいは金属フェルト、もしくはオープンセルの金属フォームなどを使用することである。

電子コンポーネントをヒートシンク上に直接取り付けようとしているため、ヒートシンクの少なくとも一つの表面、すなわち取り付け面は、その電子コンポーネントの熱膨張係数と同じような熱膨張係数を有する熱的及び電気的に伝導性のある金属で形成されていなければならない。好ましい実施の形態においては、取り付け表面としてモリブデンが使用されている。23℃における熱膨張係数が4.5から10ppm/°Kの範囲であるならば、他の金属や合金を使用することもできる。従って、ヒートシンクの一つの表面をモリブデンで形成することによって、電子コンポーネントをその表面へ直接取り付けることができる。モリブデン、シリコン、炭化珪素及びガリウム砒素は同じような熱膨張係数を有しているため、ヒートシンクの取り付け面の膨張及び収縮は半導体チップの基板のそれと同じ程度であろう。加熱及び冷却のときに、両方とも、すなわちヒートシンク取り付け面及びチップ基板は同じような量だけ膨張及び収縮するため、コンポーネントが加熱されたり冷却されたりするときに、チップが取り付け面から剥がれたり、熱による曲げでチップ基板にクラックが入ったり割れたりするという問題はなくなる。

この発明の重要な要素であるが、コンポーネントを半田付けできるようにするために、ヒートシンクのモリブデンの取り付け面はニッケルめっきされなければならない。取り付け面の両側をニッケルめっきすることによって、鉛を含む半田あるいは鉛を含まない半田でシリコンチップを取り付け面の外側へ半田付けできるようになるだけでなく、多孔性金属の熱伝導性媒体を取り付け面の内側へ取り付けて、ヒートシンクの組み付けを完成させるために使用されるろう付けプロセスのための結合表面を改善することができる。電子コンポーネントが半田付けされる外側表面に対しては、電解(electrodeposited)ニッケルめっきで十分である。しかし、ヒートシンクを組み付けると同時にろう付けによってヒートシンクハウジングの内側表面へ多孔性金属の熱伝導性媒体を取り付ける前に、ヒートシンクハウジングの内側表面に適切にニッケルめっきするには、無電解プロセスが最適であることが本発明者によって見いだされた。ハウジングの内側に対して無電解プロセスを使用したときには、取り付け面の外側にもこのプロセスを拡張するのが簡単である。

導電性ヒートシンクは、設計、製造及び性能の好みに対応して、選択された別々のコンポーネントから組み立てることが可能である。そうしたコンポーネントには、熱膨張が制御された取り付け面、取り付け面とは異なる材料で形成されたヒートシンク本体、エンドキャップあるいはマニホールド、及び多孔性金属から成る他の内部要素などが含まれる。そうした別々のコンポーネントを使用することによって、好ましい多孔性金属から成る内部要素を導電性ヒートシンクハウジングの内側に組み付けたり、熱伝達流体を流入及び流出させるためのマニホールド連結を形成したりすることが容易に可能になっている。多孔性金属から成る内部要素をヒートシンクハウジングの内部に設置し、ヒートシンクの残りのコンポーネントを組み付けた後、ヒートシンクのすべてのコンポーネントがろう付けによって接合される。ハウジングのコンポーネント間の接合は機械的性能の要件を最小限に抑えることになる、しかし、十分な強度の接合によってユニットをシールして、加圧流体が漏れることなくヒートシンクの中を流れるようにしなければならない。

この発明の好ましい実施の形態に対しては、多孔性金属の熱伝達要素は、比較的小さくて均一な寸法のボールをヒートシンクハウジングの中へいっしょに詰め込むことによって構成される。本発明者は、0.05から0.15インチ(1.27-3.81mm)の間の直径を有するボールが最適であることを見いだした。これらのボールは一体に結合されなければならず、結合の接触面積はボールからボールへ熱及び電気を伝達できるようにするために、十分大きくなければならない。ボール間の冶金的結合は、ボールに十分な量のろう付け化合物をめっきすることによって、ろう付けサイクルのときに十分な量の液体が発生してボール間の接触箇所が濡れるようにすることで実現される。このプロセスによって伝導性熱伝達経路の寸法は増大し、熱的及び電気的抵抗は最小限に抑えられる。

好ましい実施の形態においては、伝導性の熱伝達を最適化するために銅ボールが多孔性金属の熱伝達要素として使用されている。その理由は、銅は必要とされる小さい寸法のボールを現在利用可能な技術で製造するのに必要な延性を有しているからである。しかし、銅合金は水素脆化(hydrogen embrittlement)を受けやすいので、ボールの組成を制御して、ろう付けのときに必要な熱処理を行えるようにしなければならない。OFHC（Oxygen Free High Conductivity）銅合金が選択される。銅ボールは銀でめっきされ、熱処理のときに銅−銀の共晶合金がボールの表面に形成される。

この発明のモジュールは平板状バスデバイスを形成するように構成される。ヒートシンクアセンブリ及びそれに付随する電気コンポーネントの一般的に平面的な構造によって、デバイスのインダクタンスは著しく低減される。これによって、半導体コンポーネントはより効率的に機能する。

この発明のモジュールは、コンポーネントの電気的動作に影響を与えることなく、多くの電子コンポーネントで使用することができる。どのような半導体においても、チップの中を流れるパワーの一部は熱として消散される。これは100アンペア以上の電流では著しく大きくなり、半導体は急速に加熱されることになる。半導体のジャンクション温度を許容可能なレベルあるいはそれ以下に維持するには、この熱が取り除かれなければならない。この温度以上では、半導体チップは急速に劣化し、故障する。この発明のモジュールと、従来のコンポーネントとの間の一つの重要な違いは、半導体チップが冶金的にヒートシンクへ取り付けられていることであり、ヒートシンクが電気的にホットであり、ヒートシンクアセンブリが電子デバイスの回路の一部として使用されていることである。従来の技術では、半導体チップは、電気的に絶縁性であるが熱伝導性を有するプレートへ取り付けられるか、空冷式のヒートシンクへ直接取り付けられる。いずれの場合も、取り付け手段は、この発明のものよりも電気抵抗は大きく、熱伝導性は小さい。電気的伝導性及び熱的伝導性の両方を追求するときには、界面材料として金属を充填した接着剤、グリース及びゲルが使用される。この目的のために使用される銀が充填されたエポキシは、基本的に、23℃における150マイクロオーム・cm以上の電気抵抗、及び23℃における10W/m・K以下の熱伝導性を有している。従来の界面材料の熱伝導性が小さいことは、チップからの熱伝達率がこの発明におけるよりも小さいことを意味しており、従って、内部の熱消散を小さいレベルに維持し、従って、ジャンクション温度を許容可能なレベルに維持するには、半導体の中を流れる電流を小さく維持しなければならないことを意味している。チップがヒートシンクへ直接結合されているこれらの場合には、特に、100アンペア以上の電流においては、Ｉ²Ｒの発熱によって界面は加熱される。より抵抗の大きい従来の界面材料では、この発明におけるよりも界面の加熱がもっと大きくなり、従って、この場合にも、許容可能な電流には制限がある。

この発明の主な利点の一つは、電子コンポーネントを効率よく機能させるために必要なスペースが著しく低減されることである。この発明のヒートシンクは、極めて大きい寸法及び重量に関する要件を有する従来のデバイスと同じ熱伝達を実現している。この発明に従って構成されたトラクションエンジンのインバータモジュールは、従来型デバイスのインバータモジュールが必要とするスペース量のたった10%を必要とするだけである。この発明のインバータモジュールの重量も大きく低減され、従来型のそれのたった20%である。寸法及び重量がこのように大きく低減されていることから、「スペア」にするため、すなわち修理で使用するためのコンポーネントモジュール全体をストックするためには、より安価でより実際的にコンポーネントを製造できるという利点が新たに付け加わる。

この発明の別の利点は、半導体コンポーネントの寸法が小さく、コンパクトなアセンブリになっていることで、それらが制御あるいはサポートするデバイスのより近くにそれを取り付けられることである。これによって、フィードバック及び制御のシステムに必要なリード線の長さは著しく短くなる。

インバータとして実施されたときにおけるこの発明のさらに別の利点は、それが車両の電気モータと同じクーラント供給システムを利用しているため、水冷システムの必要性がないことである。

この発明のさらに別の利点は、電子コンポーネントを半田付けできるモリブデン表面を提供していることである。コンポーネント回路のチップはヒートシンクの表面へ直接に取り付けられているため、コンポーネントとスペースの要件が軽減されている。ヒートシンクの一つの表面は電気的にホットであり、回路の一部として機能する。直接取り付けによって、半導体コンポーネントとヒートシンクとの間の熱的及び電気的抵抗は著しく低減される。

この発明のさらに別の利点は、モジュールに対して実現されている平面的構造によって、インダクタンスが低減されていることである。
この発明のこれら及びその他の目的及び利点は、ここに記載されるとともに図面に示されているこの発明を実施する現在わかっている最良の形態に関する説明を見れば、当該分野の技術者には明らかになるであろう。

発明の詳細な説明
この発明は、導電性ヒートシンクを有するモジュールの構成である。このヒートシンクは、このヒートシンクへ冶金的に取り付けられた半導体コンポーネントの電気回路のアクティブ要素として機能する。このヒートシンクは電気バスとしての役割を果たす。半導体コンポーネントのモジュールへの直接取付、及びモジュールのアクティブな機能は、多くの用途において、特に、パワーを発生及び／又は伝達するような用途において、大きい利点を有するが、この発明のモジュールを利用して構成することができる電子デバイスの一つの特別な例は、電気トラクションモータ(traction motor)用のオイル冷却式インバータである。6個のIGBTスイッチ及び12個のダイオードが、電気バスとしての役割も果たす各ヒートシンクへ半田付けによって冶金的に取り付けられ、6個のそうしたモジュールが3相インバータのアセンブリにおいて使用されている。

まず、図１〜図４を参照する。図に示されたこの発明の一つの実施の形態は、電気トラクションモータ用のインバータ１０の中に組み付けられた冷却電気バスへ取り付けられた半導体を有するモジュールとしてのものである。インバータ１０は熱伝達流体としてオイルを使用している。インバータ１０は車両のモータのオイル冷却システムに対して直列に設置されており、その他の冷却システムは不要となっている。そのコンパクトな設計のために、インバータ１０は車両のモータへ直接取り付けることができる。

インバータ１０は、インバータ１０のコンポーネントを閉じ込めている外部ハウジング１２を有していることがわかる。インバータ１０によって発生される電流出力は多数の出力端子において取り出される。出力端子はインバータ本体から突き出しており、インバータ１０の出力ブラケット１４へ接続されている。インバータ１０の電流出力は車両のトラクションホイールを駆動するための動力源としての役割を果たす。

車両のモータからの熱伝達流体である冷却用オイルは、クーラントのインレットポートからインバータ１０の中へ入って、クーラントのアウトレットポートから出る。このオイルはヒートシンク１６の中を流れる。ヒートシンク１６の各々の上面には、IGBTスイッチアセンブリ１８が取り付けられている。各IGBTスイッチアセンブリは、6個のIGBTと、12個のフライバックダイオードとを有している。ヒートシンク１６へ冶金的に取り付けられたIGBTスイッチアセンブリ１８がこの発明のモジュールである。インバータ１０で使用される6個のそうしたIGBTスイッチアセンブリ１８／ヒートシンク１６から成るモジュールがある。インバータ１０がその出力として3相交流電流を提供できるようにするには、6個のIGBTモジュールが必要である。インバータ１０に対するパルス発生手段を提供する貯蔵機構を提供するために、インバータにはキャパシタバンク２０が設けられている。キャパシタバンク２０は並んで固定された複数のキャパシタを有している。

IGBTスイッチアセンブリ１８／ヒートシンク１６から成るモジュールと、キャパシタバンク２０とは、薄片化されたバスデバイス２２上に取り付けられている。バスデバイス２２は、二つのエンドプレート２２２の間に固定された平板状の中央本体２２１を有している。6個のIGBTスイッチアセンブリ１８／ヒートシンク１６から成るモジュールはバスデバイス２２の中央本体２２１の上側表面に取り付けられている。キャパシタバンク２０はバス２２の中央本体２２１の下側表面に取り付けられている。

中央本体２２１は複数の出力ブラケット１４に対する取り付け用手段としての役割を果たす。出力ブラケット１４は単なる重くて導電性を有する要素であり、ンバータ１０によって発生された電流を出力端子へ運ぶ役割を果たす。車両のトラクションホイールからのリード線がその後出力端子へ固定される。

バス２２の上側表面において、中央本体２２１の第１のサイドから上方へ延びるコンタクトバーは、正のバス２２３の上側部分を有している。このバス２２３は中央本体３０１から下方へも延びており、キャパシタバンク２０との接触部分を提供している。中央本体２２１の前側から上方へ延びる複数の隆起したコンタクトバーは負のバス２２４を有している。中央本体２２１の中央部分に設けられた複数の隆起したコンタクトバーは出力コネクタバス２２５を有している。

バスストリップ２２３、２２４、２２５の隆起部分は、長手方向に延びる一対の取り付け用チャンネルを形成している。取り付け用チャンネルの各々は3個のIGBTスイッチアセンブリ１８／ヒートシンク１６から成るモジュールをしっかりと取り付けるために使用されており、6個のIGBTスイッチアセンブリ１８／ヒートシンク１６から成るモジュールが二列に並べられる。正のバス２２３及び出力コネクタバス２２５は、3個のIGBTスイッチアセンブリ／ヒートシンク１６から成るモジュールの第１の列を収容する第１のチャンネル２２６を形成している。負のバス２２４及び出力コネクタバス２２５は、残りの3個のIGBTスイッチアセンブリ／ヒートシンク１６から成るモジュールの第２の列を収容する第２のチャンネル２２７を形成している。IGBTスイッチアセンブリの第１の列は、発生された交流電流の正のセグメントを120°の間隔で駆動する。IGBTスイッチアセンブリの第２の列は、交流電流の負のセグメントを同様に120°の間隔で駆動する。バスデバイス２２の構造のために、IGBTスイッチアセンブリ１８／ヒートシンク１６から成るモジュール及びキャパシタバンク２０は、一般的に、フラットな平板状の要素として組み付け可能であることに留意すべきである。こうした構造は、インバータ１０に存在するインダクタンスを減少させ、それによって、IGBTスイッチアセンブリ１８をより高速で動作させることを可能にしており、これが、インバータ１０の全体性能を改善する。

IGBTスイッチアセンブリ１８は金属材料を使用したプロセスによってヒートシンク１６の表面へ固定される。金属材料は、溶融して、IGBTスイッチアセンブリ１８の半導体とヒートシンク１６との隣接表面に流れてこれを濡らすことができるものである。所望の結果を達成する一つの方法は半田付けである。チップをヒートシンクへ直接取り付けることによって界面における熱的及び電気的抵抗が低減され、それによって、インバータシステムが、スイッチを過熱させることなく、（従来のデバイスに比べて）より多くの電流を扱えるようにすることができる。この発明の開発によって、このように形成された界面は、23℃において、50マイクロオーム・cm以下の体積電気抵抗率、及び10W/m・°K以上の熱伝導率を有することがわかった。

電気的な動作の観点からは、この発明に従って構成された電子コンポーネントはほとんど従来のコンポーネントと電気的に等価である。一つの重要な例外は、ヒートシンクのバンクによって形成された上側表面が電気的にホットであって、回路の一部として使用されることである。これによって、通常はコンポーネントの回路が取り付けられる絶縁プレートをなくすことが可能になる。なぜなら、この発明の回路のチップはヒートシンクの上側表面へ直接に取り付けられるからである。

この発明の実施の形態の一例としてここに記載されているインバータは、その入力として、それが設置されている車両の電源によって発生される600ボルトの直流電圧を使用している。インバータの出力は600アンペアの交流電流である。IGBTスイッチアセンブリ１８はヒートシンク１６の上側表面へ直接に取り付けられる。ヒートシンク１６の各々は電気的にホットであり、インバータ回路の一部としての役割を果たす。好ましい実施の形態においては、ヒートシンクの上側表面は、シリコンと同じような熱膨張係数を有するニッケルめっきされたモリブデンで形成されている。このことは、インバータ回路のチップのシリコン基板は、インバータが加熱したり冷却したりするときに、ヒートシンクハウジングと同じような量だけ膨張したり収縮したりすることを意味している。一般に、ヒートシンクハウジング１６１の残りの表面は銅で形成されている。

ここで主として図５〜図７を参照する。ヒートシンク１６はその内部に一対のクーラント流路１６２を有している。流路１６２の各々はその上部内側に、下側の内壁１６２１によって形成された開口部分を有している。この開口部分のために、第１の流路１６２へ流入する熱伝達流体は零れて、ハウジング１６１の内部へ流れ込み、その中の熱伝達媒体を飲み込む。熱伝達流体はヒートシンク１６の内部に充満して、第２の流路１６２の開口部分の中へ流れ込み、その後、ヒートシンク１６から流出する。

図５はヒートシンクハウジング１６１の好ましい実施の形態を示している。このハウジングは、開口した内部１６３を有する中央の主要本体を有している。熱伝達媒体２４がハウジング１６１の中央本体の開口した内部１６３の中へ設置された後、ハウジング１６１が一対のエンドマニホールド１６４によってシールされる。エンドマニホールド１６４は、電気抵抗の増大を最小限に抑えるために、ろう付け材料から成るシートを用いて固定されている。

図６及び図７はヒートシンクハウジング１６１’に対する別の実施の形態を示している。ハウジング１６１’の中では、流路１６２は残されているが、上側表面１６５はハウジング１６１’の主要本体から分離されていて、熱伝達媒体２４を挿入できるようになっている。上側表面１６５は半導体コンポーネントの取り付け面であり、従って、モリブデンで形成されると考えられる。熱伝達媒体２４を開口した内部１６３の中へ挿入された後、ハウジング１６１’は上側表面１６５を取り付けることによって、また、ろう付け材料のシートを用いてシールされる。

熱伝達流体は、クーラント供給ポートから、二列のアセンブリの各々における第１のインラインのIGBTスイッチアセンブリ１８／ヒートシンク１６から成るモジュールのヒートシンク１６上に設けられた上側の供給サイドのインレットポート（流路開口部）を介して、インバータ１０の中へ流入する。第１のインラインヒートシンクの第２の供給サイドインレットポート（流路開口部）はキャップがされている。第１のインラインヒートシンクの流路１６２は第２のインラインヒートシンクの流路１６２へ連結されており、この第２のインラインヒートシンクの流路は第３のインラインヒートシンクの流路へ連結されている。流路の連結は周知のラバーコネクタを用いて行われる。インバータ１０のアウトレット端部では、第３のインラインヒートシンクの下側流路開口部は開口しており、上側開口部はキャップがされている。

このように、熱伝達流体は上側のインレットサイドからヒートシンクの各列へ流入し、この列の中を流れて、下側のアウトレットサイドにおいて第３のインラインヒートシンクから流出する。熱伝達流体は熱伝達媒体２４の中及びそのまわりを流れるときに、IGBTスイッチアセンブリ１８から熱伝達媒体２４の中へ運ばれた熱が熱伝達流体によって取り除かれる。

好ましい実施の形態においては、熱伝達流体は電気モータに対しては冷却用オイルであり、熱伝達媒体２４は銀めっきされた複数の銅ボールである。銅ボール２４は、相互に対しても、ヒートシンク１６の壁に対しても、独特の組立プロセスでろう付けされている。ボールの球形形状は、各ボール２４が複数の他のボール２４に対しても、ヒートシンクハウジング１６１の内壁に対しても接触を形成する優れた手段を提供している。これによって、ヒートシンク１６に優れた熱伝達経路が形成される。ボール２４の間に形成される流路は、滑らかな境界を有しており、比較的大きい。モータオイルからの破片がハウジング１６１の内部に溜まってしまわないようにするためには、熱伝達媒体の中における自由な流れが重要である。

ここで主として図５〜図１１を参照する。この発明のヒートシンク１６は以下のようにして形成される。すなわち、この発明で使用されるデバイスは、熱伝達要素としての役割を果たす多孔性金属の内部要素２４を備えたヒートシンク１６が必要である。熱伝達要素２４はその中の通路に流体を流すことができる。好ましい実施の形態においては、多孔性金属の内部要素２４は一体に結合された非常に多くの金属ボールから形成されていて、複数の流路を提供している。内部要素２４の中を貫く流路は伝導性経路として機能し、取り付け面１６５から熱を伝達して、ボール２４のまわりの隙間を流れる冷却用流体の中へその熱を消散させる。従って、内部要素２４の金属ボールは互いに熱伝導性の接触をしていなくてはならない。金属ボールは接触箇所において冶金的に一体に結合されており、ボールからボールへ伝導によって熱を伝達するとともに、ボール間の隙間に複数の流路を形成して冷却用流体の中へ対流によって熱を伝達する。

ヒートシンクハウジング１６１の少なくとも一つの表面はモリブデンで形成されていることが好ましい。モリブデンは、シリコン、炭化珪素及びガリウム砒素の熱膨張係数と同じような係数を有している。従って、ヒートシンクの少なくとも一つの表面をモリブデンで形成することによって、電子デバイスの半導体コンポーネントをヒートシンク１６のモリブデン表面上に直接取り付けることが可能になっている。ヒートシンク１６のモリブデンの取り付け面１６５はシリコンの熱膨張係数と同じような係数を有している。従って、ヒートシンクの取り付け面の膨張及び収縮は、半導体チップのシリコン基板のそれと同様であろう。両方の要素、すなわちヒートシンクの取り付け面１６５及びチップ基板は、ともに加熱及び冷却のときに同じような量だけ膨張及び収縮するため、コンポーネントが加熱したり冷却したりするときの熱による曲げによって、チップが取り付け面１６５から剥がれるとか、チップ基板にクラックが入ったり割れたりするという問題がなくなる。

この発明の重要な要素であるが、コンポーネントを半田付けできるようにするために、ヒートシンクのモリブデンの取り付け面１６５はニッケルめっきされなければならない。取り付け面１６５の両側をニッケルめっきすることによって、鉛を含む半田あるいは鉛を含まない半田でシリコンチップを取り付け面１６５の外側へ半田付けできるようになるだけでなく、多孔性金属の熱伝達媒体を取り付け面１６５の内側へ取り付けて、ヒートシンク１６の組み付けを完成させるために使用されるろう付けプロセスのための結合表面を改善することができる。電子コンポーネントが半田付けされる外側の取り付け面１６５に対しては電解ニッケルめっきで十分である。しかし、ヒートシンク１６を組み付けると同時にろう付けによってヒートシンクハウジング１６１の内側表面へ多孔性金属媒体２４を取り付ける前に、ヒートシンクハウジング１６１の内側表面に適切にニッケルめっきするには、無電解めっきが最適であることが本発明者によって見いだされた。ハウジング１６１の内部に対して無電解プロセスを使用したときには、取り付け面１６５の外側にもこのプロセスを拡張して電解プロセスをなくすことは簡単である。

モリブデンはニッケルめっきが非常に困難であるけれども、本発明者は電解プロセスによるフラッシュコーティングによって適当なニッケルめっきを取り付け面１６５へ形成することが可能なことを見いだした。この電解プロセスはヒートシンクハウジング１６１のコンポーネントのその他の表面を形成する(prepare)のに使用することもできるが、これらの表面のめっきプロセスはボロン−ニッケルを利用した無電解プロセスによるフラッシュコーティングによって著しく改善されることが本発明者によって発見された。

モリブデンの本体を電解ボロン−ニッケルでフラッシュコーティングした後、めっきされたコンポーネントが熱拡散プロセスで約1時間にわたって1436−1472°F(780-800℃)まで加熱される。熱拡散プロセスは水素雰囲気中あるいは真空中で行われる。

パワーコンバータでの使用に適したこの発明の好ましい実施の形態においては、ヒートシンク１６は約0.5インチ(1.27cm)厚、2.5インチ(6.4cm)幅、5.0インチ(12.7cm)長の外部寸法を有する長方形のエンクロージャとして形成されている。本発明者の考えでは、特定の用途における要件に従って、電子コンポーネントの様々な数、形状及び寸法が使用可能であり、ヒートシンクの寸法もそれに従って変わってくる。

この発明の好ましい実施の形態に対しては、内部熱伝達要素２４から成る多孔性金属の熱伝達媒体は、比較的小さくて均一な寸法の金属ボールをヒートシンクハウジング１６１の内部へ詰め込むことによって構成される。0.05から0.15インチ(1.27-3.81mm)の間の直径を有するボールが最適であることが本発明者によって見いだされた。これらのボールは、相互に対しても、ヒートシンクハウジング１６１に対しても結合されていなければならない。この結合の接触面積は、取り付け面１６５から多孔性金属の熱伝達要素２４の中へ熱及び電気を伝導できるようにするために、十分に大きくなければならない。ボール間の冶金的結合は、ボールに十分な量のろう付け化合物をめっきし、ろう付けサイクルのときに、十分な量の液体が発生して、ボール間の接触箇所に濡れを生じさせるようにすることによって達成される。これによって、伝導性熱伝達経路の寸法は増大され、熱的及び電気的抵抗は最小限に抑えられる。

内部要素２４の個々の熱伝達媒体に対しては、多くの異なる材料及び形状を選択できることは明らかである。しかし、好ましい実施の形態においては、銅ボールが使用されている。銅合金は水素脆化を受けやすいため、ろう付けプロセスのときに必要な熱処理を行えるようにボールの組成が制御されなければならない。好ましい実施の形態においては、OFHC(Oxygen Free High Conductivity)銅合金が利用されている。

ろう付けプロセスにおいて適切な結合が行われるためには、合金は不純物を含まないものでなくてはならない。このために、先ず、市販されている銅ボールが化学的にミリングされ、ボールの表面からかなりの量の材料が取り除かれる。材料除去の必要の程度は購入したボールの状態によって決まる。

ボールを一体に結合するために銅−銀の共晶ろう付け化合物が使用されている。共晶銅−銀合金は、まず、銅ボール上に銀をめっきし、次に、その結果できたマトリックスを熱処理して適切な量の液化を行うことによって製造される。好ましい実施の形態においては、ボールは、銅ボール上に0.0005から0.0010インチ(0.013-0.025mm)厚の無光沢の銀の層を電着することによって形成される。

ボールが銀めっきされた後、それらはヒートシンクハウジング１６１の内部へ入れられる。次に、ハウジング１６１がろう付け固定具に固定される。適切な固定によって、多孔性金属の熱伝達要素である個々のボールの一体ろう付け、及びヒートシンクハウジング１６１のシーリングが同時に行われる。ろう付けプロセスにおいては、以下の熱サイクルが用いられる。
ａ）1000±25°F(537±14℃)まで60分で加熱。
ｂ）1000±25°F(537±14℃)で20分間保持。
ｃ）1400±15°F(760±8℃)まで30分で加熱。
ｄ）1400±15°F(760±8℃)で20分間保持。
ｅ）1500±10°F(815±5℃)まで5分で加熱。
ｆ）1500±10°F(815±5℃)で10分間保持。
ｇ）500°F(260℃)まで炉冷。

こうして得られたヒートシンクは電子コンポーネントの設置準備が整う。
ヒートシンク１６の一つの表面はコンポーネント回路に対する取り付け面として使用されるため、その表面は比較的平坦でなければならず、一般的には、モリブデンで形成される。ときによって、ろう付けプロセスのときに、ヒートシンクハウジング１６１の壁へボールを結合することによって、壁が過度に変形することがある。平坦からの変動の許容量は特定の用途によって変わる。ろう付けプロセスによってヒートシンク１６の取り付け面１６５が許容可能な公差の範囲外になった場合には、さらなる処理が必要になる。

ヒートシンク１６の取り付け面１６５の平坦性はその表面を機械加工して再びめっきすることによって回復することができる。取り付け面１６５の平坦さはコイニング(coining)プロセスによって実現できることがわかった。このコイニングプロセスは、その表面が許容可能な平坦さの限界内になるまで単に高圧をハウジングに加える（冷間成形プロセス）だけである。

別の実施の形態
図９及び図１０は、ここに記載されている方法に対する別の実施の形態を示している。この別の実施の形態は、多孔性金属の熱伝達要素２４を製造するのに使用する材料及び製造方法の選択である。図９は第１の別の実施の形態２４’を示している。この実施の形態は、銅フォームなどの金属フォーム、あるいは銅ブロックなどの金属ブロックを利用しており、それらの中には複数の流路あるいはチャンネル２６が機械加工形成されている。

図１０は第２の別の実施の形態におけるヒートシンク２４”を示している。このヒートシンク２４”は銅ウールや銅フェルトなどの金属ファブリックを利用している。金属ファブリックはその材料中に本来的に流路が形成されているため、ヒートシンク１の処理は変える必要がない。

上記の開示は発明を制限するものではない。当該分野における技術者であれば、この発明の教示内容を保持しつつ、このデバイスに対して多くの修正や変形が可能であることが容易に理解できよう。従って、上記の開示は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものと解釈されるべきである。

この発明に従って構成されたインバータモジュールの上部斜視図であり、このインバータモジュールにはIGBTモジュールが組み付けられている。 図１に示されているインバータの底部斜視図である。 図１のインバータの上部斜視図であり、組み付け準備が整ったカバープレートとともに示された図である。 図１に示されたインバータの分解斜視図である。 この発明のヒートシンク要素の斜視図である。 ヒートシンクハウジングの別の実施の形態を示す斜視図である。 ヒートシンクハウジングの別の実施の形態の斜視図であり、内部の構造を示すために上面が取り除かれた状態を示す図である。 図５の８−８線断面図である。 内部要素の第１の別の実施の形態におけるヒートシンクの断面図である。 ヒートシンクの第２の別の実施の形態におけるヒートシンクの断面図である。 この発明の方法を示す略フローチャートである。

Claims (41)

1. ヒートシンクを形成する方法であって、
   ａ）ヒートシンクハウジングの外側表面及び内側表面をニッケルめっきする段階と、
   ｂ）前記ニッケルめっきされたヒートシンクハウジングの前記モリブデンコンポーネントを熱拡散プロセスにさらす段階と、
   ｃ）複数の流路を内部に有する金属の内部要素を銀めっきする段階と、
   ｄ）前記ヒートシンクハウジングの内部に前記内部要素を設置する段階と、
   ｅ）前記ヒートシンクハウジングをろう付け固定具に固定する段階と、
   ｅ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を熱処理する段階と、
   を有し、前記内部要素の前記銀層及び表面金属材料が液化して、前記内部要素の隣接するコンポーネント間でも、前記ヒートシンクハウジングの接触表面に対しても結合を形成し、さらに、前記ヒートシンクハウジングの隣接するコンポーネント間で結合を形成する方法。
2. 前記熱処理する段階が、
   ａ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,000°F±25°F(537±14℃)まで60分で加熱する段階と、
   ｂ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,000°F±25°F(537±14℃)で20分間保持する段階と、
   ｃ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,400°F±15°F(760±8℃)まで30分で加熱する段階と、
   ｄ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,400°F±15°F(760±8℃)で20分間保持する段階と、
   ｅ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,500°F±10°F(815±5℃)まで5分で加熱する段階と、
   ｆ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,500°F±10°F(815±5℃)で10分間保持する段階と、
   ｇ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を500°F(260℃)まで炉冷する段階と、
   を有する請求項１に記載の方法。
3. 前記ヒートシンクハウジングの前記外側表面及び内側表面をニッケルめっきする段階が電着プロセスによって行われる請求項１に記載の方法。
4. 前記ヒートシンクハウジングの前記外側表面及び内側表面をニッケルめっきする段階が無電解プロセスによって行われる請求項１に記載の方法。
5. 前記熱拡散プロセスが1,436〜1,472°F(780-800℃)で実施される請求項１に記載の方法。
6. 前記熱拡散が水素雰囲気中で実施される請求項５に記載の方法。
7. 前記熱拡散が真空中で実施される請求項５に記載の方法。
8. 前記内部要素が銅で形成されている請求項１に記載の方法。
9. 前記内部要素が銀めっきの前に化学的にミリングされる請求項１に記載の方法。
10. 前記銀めっきする段階が、前記内部要素上に0.0005から0.0010インチ(0.013-0.025mm)厚の無光沢の銀の層を付着させる請求項１に記載の方法。
11. 前記ヒートシンクハウジングのエンドマニホールドが、前記熱処理のときに、前記ヒートシンクハウジングの前記本体へ固定される請求項１に記載の方法。
12. 前記ヒートシンクハウジングのエンドマニホールドが、真鍮シートを用いて、前記ヒートシンクハウジングの前記本体へ固定されている請求項８に記載の方法。
13. 前記ヒートシンクの取り付け表面が、前記熱処理のときに、前記ヒートシンクハウジングの本体へ固定される請求項１に記載の方法。
14. 前記ヒートシンクハウジングの前記取り付け表面が、真鍮シートを用いて、前記ヒートシンクハウジングの前記本体へ固定されている請求項１０に記載の方法。
15. 前記ヒートシンクハウジングの取り付け表面が、前記熱処理のときに、前記ヒートシンクハウジングの本体へ固定される請求項１に記載の方法。
16. 前記内部要素が複数の金属ボールを有する請求項１に記載の方法。
17. 前記金属ボールが銅で形成されている請求項１６に記載の方法。
18. 前記金属ボールが銀めっきの前に化学的にミリングされる請求項１６に記載の方法。
19. 前記内部要素が金属ブロックを有し、金属ブロックは内部に機械加工形成された前記複数の流路を有している請求項１に記載の方法。
20. 前記内部要素が金属フォームを有する請求項１に記載の方法。
21. 前記内部要素が金属ウールを有する請求項１に記載の方法。
22. 前記内部要素が金属フェルトを有する請求項１に記載の方法。
23. 前記ハウジングの少なくとも一つの表面がモリブデンで形成されている請求項１に記載の方法。
24. ヒートシンクを形成するための方法であって、
    ａ）複数の流路を内部に有するヒートシンクハウジングの外側表面及び内側表面をニッケルめっきする段階と、
    ｂ）前記ニッケルめっきされたヒートシンクハウジングのモリブデンコンポーネントを熱拡散プロセスにさらす段階と、
    ｃ）内部要素を銀めっきして、前記内部要素の外側に銀層が形成されるようにする段階と、
    ｄ）前記ヒートシンクハウジングの内部に前記内部要素を設置する段階と、
    ｅ）前記ヒートシンクハウジングをろう付け固定具に固定する段階と、
    ｆ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,000°F±25°F(537±14℃)まで60分で加熱する段階と、
    ｇ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,000°F±25°F(537±14℃)で20分間保持する段階と、
    ｈ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,400°F±15°F(760±8℃)まで30分で加熱する段階と、
    ｉ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,400°F±15°F(760±8℃)で20分間保持する段階と、
    ｊ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,500°F±10°F(815±5℃)まで5分で加熱する段階と、
    ｋ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を1,500°F±10°F(815±5℃)で10分間保持する段階と、
    ｌ）前記ヒートシンクハウジング及び前記内部要素を500°F(260℃)まで炉冷する段階と、
    を有し、前記内部要素の前記銀層及び表面金属材料が液化して、前記内部要素の隣接するコンポーネント間でも、前記ヒートシンクハウジングの接触表面に対しても結合を形成し、さらに、前記ヒートシンクハウジングの隣接するコンポーネント間で結合を形成する方法。
25. 前記ヒートシンクハウジングの外側表面のニッケルめっきが電着プロセスによって行われる請求項２４に記載の方法。
26. 前記ヒートシンクハウジングの外側表面のニッケルめっきが無電解プロセスによって行われる請求項２４に記載の方法。
27. 前記熱拡散プロセスが1,436〜1,472°F(780-800℃)で実施される請求項２４に記載の方法。
28. 前記熱拡散が水素雰囲気中で実施される請求項２７に記載の方法。
29. 前記熱拡散が真空中で実施される請求項２７に記載の方法。
30. 前記内部要素が複数の金属ボールを有する請求項２４に記載の方法。
31. 前記金属ボールが銀めっきの前に化学的にミリングされる請求項３０に記載の方法。
32. 前記金属ボールが銅で形成されている請求項３０に記載の方法。
33. 前記銀めっきする段階が、前記銅ボール上に、0.0005から0.0010インチ(0.013-0.025mm)厚の無光沢の銀の層を付着させる段階を有する請求項３０に記載の方法。
34. 前記内部要素が金属ブロックを有し、金属ブロックは内部に機械加工形成された前記複数の流路を有している請求項２４に記載の方法。
35. 前記内部要素が金属フォームを有する請求項２４に記載の方法。
36. 前記内部要素が金属ウールを有する請求項２４に記載の方法。
37. 前記内部要素が金属フェルトを有する請求項２４に記載の方法。
38. 前記ヒートシンクハウジングのエンドマニホールドが、前記熱処理のときに、前記ヒートシンクハウジングの本体へ固定される請求項２４に記載の方法。
39. 前記ヒートシンクハウジングのエンドマニホールドが、真鍮シートを用いて、前記ヒートシンクハウジングの前記本体へ固定されている請求項３８に記載の方法。
40. 前記ヒートシンクハウジングの取り付け表面が、前記熱処理のときに、前記ヒートシンクハウジングの本体へ固定される請求項２４に記載の方法。
41. 前記ヒートシンクハウジングの前記取り付け表面が、真鍮シートを用いて、前記ヒートシンクハウジングの前記本体へ固定されている請求項４０に記載の方法。
    

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