JP2010219529A - 両面冷却式電力用被覆層付き電力モジュール - Google Patents

両面冷却式電力用被覆層付き電力モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】電力用被覆層（ＰＯＬ）モジュールの熱性能を高める。
【解決手段】電力モジュール（２０）が、電力用被覆層（ＰＯＬ）（２４）を接合させて有する半導体電力用素子（２２）を含んでいる。第一のヒート・シンク・アセンブリ（３０）が、ＰＯＬ（２４）の反対の側で半導体電力用素子（２２）に接合されている。第二のヒート・シンク・アセンブリ（２８）が、ＰＯＬ（２４）の半導体電力用素子（２４）に接合された側の反対側でＰＯＬ（２４）に接合されている。半導体電力用素子（２２）、ＰＯＬ（２４）、第一の流路型ヒート・シンク・アセンブリ（３０）及び第二の流路型ヒート・シンク・アセンブリ（２８）は、まとめて両面冷却式電力用被覆層モジュールを形成している。第二の流路型ヒート・シンク・アセンブリ（２８）は、平坦化、ろう付け又は冶金的接合の必要なく軟質の放熱界面材料（２６）のみを介してＰＯＬ（２４）に接合される。
【選択図】図２

Description

本発明は一般的には、熱せられた表面を冷却する装置に関し、さらに具体的には、電力用被覆層（パワー・オーバーレイ）技術を用いて半導体電力用素子（パワー・デバイス）を平面的な態様で相互接続する両面冷却式電力モジュールに関する。
高密度電力用電子部品の開発に伴って、電力用半導体素子を冷却することが次第に困難になってきた。５００Ｗ／ｃｍ２まで放熱する可能性のある新型のシリコーン系電力用素子では、改善された熱管理の解決法が必要とされている。デバイス温度が５０Ｋ上昇までに限定されているときに、自然空冷方式及び強制空冷方式では約１Ｗ／ｃｍ２までの熱束を扱うことしかできない。従来の液冷板は２０Ｗ／ｃｍ２程度の熱束を達成することができる。ヒート・パイプ、衝突噴霧及び液体沸騰であればさらに大きい熱束が可能であるが、これらの手法は製造の困難及び高経費を招き得る。
高熱束電力用素子の従来の冷却に見受けられるさらにもう一つの問題は、熱表面にわたる非一様な温度分布である。原因は、冷却流路（チャネル）構造が非一様であること、及び冷却流体が熱表面に平行に設けられた長い流路を流れるにつれて当該冷却流体の温度が上昇することによる。
高性能の熱管理として有望な一技術にマイクロ・チャネル冷却がある。１９８０年代には、マイクロ・チャネル冷却はシリコン集積回路を冷却する実効的な手段として実証されており、この設計は、熱束が１０００Ｗ／ｃｍ２まで、及び表面温度上昇が１００℃未満であることが実証された。公知のマイクロ・チャネル設計は、冷却流体を各マイクロ・チャネルに分配する多岐管を組み入れた金属複合材ヒート・シンクに、基材（マイクロ・チャネルが底面の銅層に作製されたもの）をはんだ付けすることを必要とする。さらに、これら公知のマイクロ・チャネル設計は、極めて複雑な背面マイクロ・チャネル構造及びヒート・シンクを採用しており、構築が極めて複雑であり、従って製造経費が極めて高い。
電力用被覆層技術（ＰＯＬ：Power Overlay）が両面冷却を提供するために用いられているが、これら公知の構造は、ＰＯＬモジュールの熱性能を高めるマイクロ・チャネル特徴を用いていなかった。さらに、公知のＰＯＬ技術は一般的には、ヒート・シンクをＰＯＬにうまく接合させるために、くせ取り（smoothing）、ろう付け及び／又ははんだ付けの各操作を必要とする。
以上に鑑みて、ＰＯＬモジュールの熱性能を高めるために冷却流路特徴を採用し、組み立てが相対的に単純であり、基材冷却流路の構築に続く後の加工操作において冷却流路特徴を損なわないような電力用被覆層技術を用いて両面冷却式電力モジュールを提供することが望ましい。また、くせ取り、ろう付け／又ははんだ付けの各操作を用いずにＰＯＬ技術を用いた両面冷却式電力モジュールが具現化されれば有利である。
簡潔に述べると、一実施形態によれば、電力用被覆層モジュールが、
少なくとも１個の半導体電力用素子と、
少なくとも１個の半導体電力用素子に接合された電力用被覆層（ＰＯＬ）と、
少なくとも１個の半導体電力用素子のＰＯＬと反対の側で少なくとも１個の半導体電力用素子に接合された第一のヒート・シンクと、
ＰＯＬの少なくとも１個の半導体に接合された側の反対側で軟質の放熱界面材料（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）のみを介してＰＯＬに接合された第二のヒート・シンクと
を備えており、少なくとも１個の半導体電力用素子、ＰＯＬ、第一のヒート・シンク及び第二のヒート・シンクは、まとめて両面冷却式電力用被覆層モジュールを形成している。
もう一つの実施形態によれば、電力用被覆層モジュールが、
少なくとも１個の半導体電力用素子と、
少なくとも１個の半導体電力用素子に接合された電力用被覆層と、
少なくとも１個の半導体電力用素子に接合された第一の基材アセンブリであって、
第一の平坦な表面及び第一の平坦な表面に実質的に平行な第二の平坦な表面を含んでいるセラミック層と、
第一の平坦な表面に接合された金属層と、
第二の平坦な表面に接合された流路層と、
第二の平坦な表面の反対側の流路層の表面に接合された多岐管層と
を含んでおり、当該第一の基材アセンブリの各層がまとめて単体の基材として構成されている、第一の基材アセンブリと、
軟質の放熱界面材料（ＴＩＭ）のみを介して電力用被覆層に接合された第二の基材アセンブリであって、
第三の平坦な表面及び実質的に第三の平坦な表面に実質的に平行な第四の平坦な表面を含んでいるセラミック層と、
第三の平坦な表面に接合された金属層と、
第四の平坦な表面に接合された流路層と、
第四の平坦な表面の反対側の流路層の表面に接合された多岐管層と
を含んでおり、当該第二の基材アセンブリの各層がまとめて単体の基材として構成されている、第二の基材アセンブリと
を備えている。
本発明のこれらの特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を精読することにより、さらに十分に理解されよう。尚、図面全体にわたり、類似の参照符号は類似の部材を表わす。
当技術分野で公知の熱交換器型両面冷却式電力用被覆層付き電力モジュールを示す側面外形図である。 一実施形態による流路型両面冷却式電力用被覆層付き電力モジュールを示す側面外形図である。 図２に示す流路型両面冷却式電力用被覆層付き電力モジュールと共に用いるのに適した流路型ヒート・シンクを示す側面外形図である。 もう一つの実施形態による流路型両面冷却式電力用被覆層付き電力モジュールの遠近図である。
上に示す図面は代替的な各実施形態を示しているが、本発明の他の実施形態も思量され、このことについて以下の議論に記載する。全ての場合において、本開示は本発明の図示された実施形態を表現のために提示しており、制限のためではない。当業者には、本発明の範囲内にあり本発明の原理の要旨に含まれる他の多くの改変及び実施形態が想到されよう。
図１は、当技術分野で公知の電力用被覆層技術を用いた熱交換器型両面冷却式電力モジュール１０を示す側面外形図である。電力用被覆層技術を用いた半導体電力モジュールの両面冷却は当技術分野で公知である。電力用被覆層技術の独特な平面型構造のため、電力用被覆層技術を用いたモジュールを電力モジュールの上面及び底面の両方から冷却することができる。というのも、くせ取り操作の後の電力用素子の上面から結線結合を排除し又ははんだバンプも排除したため、上面が実質的に平坦な状態になるからである。熱冷却構造はチップの発熱域に接続されるため、図１に示す構造は著しく低い接点部温度を有し得る。
電力用被覆層技術による熱交換器型両面冷却式電力モジュール１０は、電力用被覆層技術を用いて電力モジュールとして構成された電力用チップ１２を含んでおり、これらの電力用チップ１２は上面側の従来の熱交換器１４及び底面側の従来の熱交換器１６に冶金的接合を介して取り付けられている。しかしながら、マイクロ・チャネル技術を用いる公知の方法を含む従来の熱交換器技術は、はんだ付け又はろう付けのような冶金的接合手法を採用しており、従って上で述べたような付加的な表面くせ取り操作を必要とする。
図２は、一実施形態による電力用被覆層技術を用いた流路型両面冷却式電力モジュール２０を示す側面図である。電力モジュール２０は、例えば銅及びカプトンを含み得る区域を有する電力用被覆層（ＰＯＬ）２４に接合された複数の半導体電力用チップ２２を含んでいる。一実施形態によれば、熱伝導率が約２Ｗ／ｍＫを上回る軟質の放熱界面材料（１又は複数）（ＴＩＭ）から成る層が、ＰＯＬ２４の半導体電力用チップ２２に接合された側の反対側でＰＯＬ２４に接合されている。適当なＴＩＭの例としては、制限するものではないが、接着剤、グリース、ゲル、パッド、フィルム、液体金属、圧縮金属及び相変化材料等がある。液体金属ＴＩＭは、例えば典型的にはインジウム−ガリウム合金であって、電力用電子部品応用に典型的に見受けられる温度を上回っても液体状態にある。圧縮金属は、ヒート・シンク及びＰＯＬの対を成す表面同士の間に密な接触を形成するのに十分に軟質であり、例えばインジウムを含み得る。この態様で、本書に記載しているようなヒート・シンクは、ＰＯＬ２４への直接的なヒート・シンク（１又は複数）のろう付け若しくは冶金的接合の利用も、またヒート・シンク（１又は複数）へのＰＯＬ２４の接合に先立ってＰＯＬ２４を平坦化する必要性もなく、ＰＯＬ２４に熱的に接合され得る。
例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）又は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む第一のセラミック基材３２が、第一の銅金属層２７を介してＴＩＭ２６に接合される。銅３４のような金属最上層が、セラミック基材３２の反対側に冶金的に接合される。銅層２７、３４に冶金的に接合され得るセラミック材料であれば、他の類似のセラミック材料を用いてもよい。金属層２７、３４は例えば、セラミック基材３２に接合された直接接合銅（ＤＢＣ：Direct Bond Copper）層又は活性金属ろう付け（ＡＭＢ：Active Metal Braze）層であってよい。
一実施形態によれば、第一の流路型ヒート・シンク・アセンブリ２８が、基材３２のＴＩＭ２６に接合された側の反対側の銅層３４と流路型ヒート・シンク・アセンブリ２８との間に設けられたはんだ接合部３６を介して基材３２に取り付けられる。また、第二の基材３８及び第二の流路型ヒート・シンク・アセンブリ３０が、半導体電力用チップ２２のＰＯＬ２４に接合された側の反対側で半導体電力用チップ２２の平坦な外側露出表面に同様に接合される。一観点によれば、流路型ヒート・シンク・アセンブリ２８は流路型ヒート・シンク・アセンブリ３０と同一であってよく、従って簡潔さを保持してこの実施形態をさらに分かり易くするために、本書では流路アセンブリ２８についてのみ詳述する。ヒート・シンク・アセンブリ２８はまた、他の実施形態によればヒート・シンク・アセンブリ３０と異なる構造を有していてもよい。例えば一方のヒート・シンク・アセンブリを空冷式とし、他方のヒート・シンク・アセンブリを液冷式として両面冷却式電力用被覆層付き電力モジュールを提供してもよい。
一実施形態によれば、流路型ヒート・シンク２８は、多岐管層４２に冶金的に接合された流路層４０を含んでおり、これらについては図３に関して以降でさらに詳述する。
ここで図３を参照すると、ヒート・シンク・アセンブリ２８は一実施形態によれば、厚みが約０．３ｍｍの流路層４０、及び厚みが約０．３ｍｍの多岐管層４２を含んでいる。もう一つの実施形態によれば、ヒート・シンク・アセンブリ２８は、厚みが約０．１５ｍｍの流路層４０、及び厚みが約０．１５ｍｍの多岐管層４２を含んでいる。
流路層４０は、マイクロ・チャネル寸法乃至ミリ・チャネル寸法にわたる流路の幾何学的構成を含み得る。流路４６は例えば、本発明の幾つかの観点によれば、特徴寸法が約０．０５ｍｍ〜約５．０ｍｍである。例示的な流路４６構成は、基材に沿って延在する連続マイクロ・チャネルで形成され得る。もう一つの実施形態によれば、流路４６は約０．１ｍｍ幅であり、多数の約０．２ｍｍの間隙によって離隔されている。さらにもう一つの実施形態によれば、流路４６は約０．３ｍｍ幅であり、多数の約０．５ｍｍの間隙によって離隔されている。さらにもう一つの実施形態によれば、流路４６は約０．６ｍｍ幅であり、多数の約０．８ｍｍの間隙によって離隔されている。
多岐管層４２が、多数の入口多岐管及び多数の出口多岐管を画定している（図示されていない）。入口多岐管は冷却材を流入させるように構成され、出口多岐管は冷却材を排出するように構成される。一実施形態では、入口多岐管及び出口多岐管は交互配置される。本発明の一観点によれば、流路層４０の内部の各流路４６は、入口多岐管及び出口多岐管に実質的に垂直に配向され得る。この構造によって組み立て工程が単純化されて、ヒート・シンク・アセンブリ２８の全体経費が低下する。
流路型ヒート・シンク・アセンブリ２８はまた、電力用素子２２の表面（１又は複数）に近接して流体の通路を設けるように基板／筐体４４に取り付けられてよく、実用的で対経費効果の高い流路型冷却技術の具現化を可能にする。基板／筐体４４は、冷却材を入口多岐管に供給するように構成されている入口４３と、出口多岐管から冷却材を排出するように構成されている出口４８とを含んでいる。
図４は、もう一つの実施形態による電力用被覆層技術を用いた流路型両面冷却式電力モジュール５０の遠近図である。電力モジュール５０は第一の基板／筐体４４を含んでおり、第一の基板／筐体４４は一実施形態によれば、図２及び図３に示すようにヒート・シンク・アセンブリ２８に接合されており、多岐管層４２の内部の多岐管通路を反映させた流体の通路（図示されていない）を含んでいる。基板／筐体４４はさらに、少なくとも一つの入口４３及び少なくとも一つの出口４８を含んでおり、さらに具体的には、上述のような態様でヒート・シンク・アセンブリ２８の一部を形成して、延長型多岐管層入口及び多岐管層出口を設けるように図３に示すような多岐管層４２の表面に接合されている。基板４４は冷却流体を運ぶ手段を設けるために必要とされるに過ぎないので、熱伝達の手段を設けるのに適した金属で構成される必要はない。代わりに、実際の熱伝達過程は基材層と流路層と多岐管層との間の冶金的接合によって達成される。
第二の基板／筐体４５が、図４に示すように電力モジュール５０の反対側に設けられている図２に示す熱交換器アセンブリ３０に接合されて、電力用被覆層技術を用いた流路型両面冷却式電力モジュール５０を提供する。一実施形態によれば、流路層４０、多岐管層４２及び対応する基板／筐体４４、４５が単体のヒート・シンク・アセンブリとして構成されて、対応する基材３２、３８に接合される。もう一つの実施形態によれば、流路層４０及び多岐管層４２がまとめて単体のヒート・シンク・アセンブリとして構成されて、対応する基材３２、３８に接合される。次いで、対応する基板／筐体４４、４５が、図３に示すような流路層４０及び多岐管層４２を含む各々の単体のヒート・シンク・アセンブリに接合される。もう一つの実施形態によれば、各々の基材３２、３８が、対応する流路層４０及び対応する多岐管層４２に接合されて、それぞれの単体のヒート・シンク・アセンブリを形成する。次いで、基板／筐体４４、４５を各々のそれぞれの単体のヒート・シンク・アセンブリに取り付けて、図４に示すような流路型両面冷却式電力モジュール５０を完成させる。
多岐管通路は、本発明の一観点によれば、対応するヒート・シンク・アセンブリ２８、３０の冷却容量を所望の高水準とするために、断面が流路層の各流路に関連する断面よりも大きい。多くの冷却材をヒート・シンク・アセンブリ２８、３０用に用いることができ、各実施形態は特定の冷却材に限定されない。冷却材の例としては、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、オイル、航空機燃料及びこれらの組み合わせがある。幾つかの実施形態によれば、冷却材は、単相液体及び／又は多相液体を含んでいる。動作について述べると、冷却材は、基板／筐体入口４３を介して多岐管４２に入り、流路層の各流路を流れた後に、排出多岐管を通って基板／筐体出口４８を介して帰還する。
一観点によれば、流路層の各流路は、冷却材を電力用素子２２の熱表面から隔離するために、流路層４０を貫通するようには延在しない。さらに具体的には、各々のセラミック基材３２、３８が電力用素子２２と冷却材との間の絶縁障壁として作用する。
要約した説明において、流路型冷却アセンブリ実施形態及び各実施形態を製造する方法について図２〜図４に関して記載した。これらの実施形態は、はんだ付け手法に一般に伴う汚染又は流路４６への損傷を回避する高温ろう付け法を用いることができる。さらに、対応する基材３２、３８、多岐管層４２及び流路層４０を含み得るヒート・シンク層の材料及び厚みを緊密に制御して、加熱加工ステップ及び冷却加工ステップ時の層同士の間の望ましくない相互作用を防ぐことができる。この態様で、対応する流路層４０に関連するさらに細かい各特徴を製造工程時の損傷から保護することができ、またヒート・シンク・アセンブリの各特徴を高度の確実性で形成することができる。
一実施形態によれば、各々の基材構造は、対応するセラミック層３２、３８、セラミック層３２、３８に冶金的に接合された金属層２７、セラミック層３２、３８に冶金的に接合された流路層４０、及び流路層４０の表面に冶金的に接合された多岐管層４２を含む下位組み立て工程時に単体のデバイスとして構築される。少なくとも一つの入口４３及び少なくとも一つの出口４８を含む分離した基板／筐体４４、４５が、基材構造下位組み立て工程に続く最終的な組み立て工程時に基材構造の表面に接合されて、延長型多岐管層入口及び多岐管層出口を設けるように構成されている。
最終的な組み立て段階時に単体の基材構造と単体の基板／筐体とを組み合わせることにより、従来のマイクロ・チャネル構築手法を用いたはんだ付け手法に一般に伴う汚染又は流路４６への損傷が有利に回避される。基板／筐体４４、４５は冷却流体の流動手段としてのみ作用するのであってヒート・シンク・デバイスとして作用する訳ではないので、基板／筐体４４、４５を、はんだを利用せずに基板／筐体を基材構造に接合するのに適したプラスチック又は他の非金属化合物で形成することができる。
本書では発明の幾つかの特徴のみを図示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は、発明の要旨に含まれるような全ての改変及び変形を網羅するものと理解されたい。
１０ 熱交換器型両面冷却式電力モジュール
１２ 電力用チップ
１４ 上面側熱交換器
１６ 底面側熱交換器
２０ 流路型両面冷却式電力モジュール
２２ 半導体電力用チップ
２４ 電力用被覆層（ＰＯＬ）
２６ 軟質の放熱界面材料（ＴＩＭ）
２７ 金属層
２８、３０ 流路型ヒート・シンク・アセンブリ
３２ 基材
３４ 最上金属層
３６ はんだ接合部
３８ 基材
４０ 流路層
４２ 多岐管層
４３ 筐体入口
４４、４５ 筐体
４６ 流路
４８ 筐体出口
５０ 流路型両面冷却式電力モジュール

Claims (10)

  1. 少なくとも１個の半導体電力用素子（２２）と、
    該少なくとも１個の半導体電力用素子（２２）に接合された電力用被覆層（ＰＯＬ）（２４）と、
    前記少なくとも１個の半導体電力用素子（２２）の前記ＰＯＬ（２４）と反対の側で前記少なくとも１個の半導体電力用素子（２２）に接合された第一のヒート・シンク・アセンブリ（３０）と、
    前記ＰＯＬ（２４）の前記少なくとも１個の半導体（２２）に接合された側の反対側で軟質の放熱界面材料（ＴＩＭ）（２６）のみを介して前記ＰＯＬ（２４）に接合された第二のヒート・シンク・アセンブリ（２８）と
    を備えた電力モジュール（２０）であって、前記少なくとも１個の半導体電力用素子（２２）、ＰＯＬ（２４）、第一のヒート・シンク・アセンブリ（３０）及び第二のヒート・シンク・アセンブリ（２８）は、まとめて両面冷却式電力用被覆層モジュール（２０）を形成している、電力モジュール（２０）。
  2. 各々のヒート・シンク・アセンブリが、まとめて単体のヒート・シンクとして構成された対応するセラミック層（３２）、（３８）、流路層（３４）及び多岐管層（３６）を含んでいる、請求項１に記載の電力モジュール（２０）。
  3. 前記セラミック層（３２）、（３８）は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から選択される、請求項２に記載の電力モジュール（２０）。
  4. 前記第一のヒート・シンク・アセンブリ（３０）と前記少なくとも１個の半導体電力用素子（２２）との間に接合された第一のセラミック層（３８）をさらに含んでいる請求項１に記載の電力モジュール（２０）。
  5. 前記第二のヒート・シンク・アセンブリ（２８）と前記ＰＯＬ（２４）との間に接合された第二のセラミック層（３２）をさらに含んでいる請求項４に記載の電力モジュール（２０）。
  6. 各々のセラミック層（３２）、（３８）が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から選択される、請求項５に記載の電力モジュール（２０）。
  7. 各々のヒート・シンク・アセンブリ（２８）、（３０）が、まとめて単体のヒート・シンクとして構成された対応する流路層（３４）及び多岐管層（３６）を含んでいる、請求項５に記載の電力モジュール（２０）。
  8. 各々のヒート・シンク・アセンブリ（２８）、（３０）が、まとめて単体のヒート・シンクとして構成された対応するセラミック層（３２）、（３８）、流路層（３４）、多岐管層（３６）及び対応するプレナム筐体（４４）、（４５）を含んでいる、請求項１に記載の電力モジュール（２０）。
  9. 前記ＴＩＭ（２４）は熱伝導率が約２Ｗ／ｍＫを上回る、請求項１に記載の電力モジュール（２０）。
  10. 前記ＴＩＭ（２４）は、接着剤、グリース、ゲル、パッド、フィルム、液体金属、圧縮金属及び相変化材料から選択される、請求項１に記載の電力モジュール（２０）。
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