JP2013507760A - 自動車のための電力モジュール - Google Patents

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Abstract

本発明は、車両、特に、電気式走行車両に使用するための電力モジュール（１０）に関する。この電力モジュールは、垂直方向に隣接した２つの半導体ウェハ（１２、１４）を含み、各ウェハは、ヒートシンク基板（２４、２６）に接続されている第１の面（２０、２２）と、第１の面とは別の第２の面（２８、３０）とを有し、第２の面の上に、少なくとも１つの電子素子（３８ａ〜４４ｂ）が配置されており、モジュールは、２つのウェハの第２の面が対向するように配置されている。

Description

本発明は、自動車、特に、電気モータを備えるハイブリッド車に使用するための電力モジュールに関する。
電力モジュールは、大電流が流れる電子素子を搭載した半導体ウェハを含む電子モジュールである。これは、特に、電力モジュールがハイブリッド車両に適用される場合であり、この場合には、電流は約２００アンペアにもなる。
電力モジュールの中では、高い電流が流れることになるので、電力モジュールによって、相当に大量の熱が発生する。従って、モジュールの周辺に熱を放散させて、電子素子の過熱と、モジュールの機能不全とを回避することが非常に重要である。
接続面と反対側の面とを含む半導体ウェハを備える電力モジュールは、従来技術で既に公知である。この半導体ウェハでは、接続面の上に電子素子が配置され、反対側の面は熱放散のために使用され、電気的に基盤に接続されて、これにより熱を放散させている。しかしながら、このようなモジュールは、モジュールの中を大きい電流が流れる場合（例えばハイブリッド車両の場合）には、十分な熱放散を行うことができないと、正しく動作することができない。
電力モジュールはまた、従来公知であり、例えば、特許文献１には、半導体ウェハを包むハウジングを備える電力モジュールが示されている。この半導体ウェハは、第１の接続面と第２の反対側の面とを備え、第１の接続面には電子素子が配置され、第２の反対側の面は、直接に基板と接触して熱放散を行っている。ハウジングはまた、スプリングを備え、このスプリングは、接続面に接続されて、この面とデバイスとの間の電気的リンクを構成し、温度の制御と調節を行っている。
従って、このような電力モジュールは、半導体ウェハの２つの面から熱を放散させるようになっており、これにより、より大きな電流が、電力モジュールの中を流れることを可能にしている。
欧州特許第１３８１１１５号明細書
しかしながら、上記で述べた電力モジュールは、特殊な構造をしており、体積がかなり大きく、また多くの素子を備え、しかもこれらの素子は、特殊な素子である。
本発明の目的は、大幅な熱放散が可能な電力モジュールを提供することであり、これにより、高い強度の電流が電子モジュールの中を流れることが可能になり、素子を破壊することがなく、また同時に、設計も簡単になる。
この目的を達成するための、本発明の１つの主題は、車両、特に電気走行車両に使用しうる電力モジュールである。この電力モジュールは、重ね合わせた２つの半導体ウェハを備え、各ウェハは、第１の面と第２の面とを備えている。第１の面は、熱放散面を形成し、熱放散基板に接続されるようになっており、第２の面は、第１の面とは別個のものであり、接続面を形成し、第２の面の上には、少なくとも１つの電子素子が配置され、モジュールは、ウェハの第２の面が互いに向き合って配置されている構造になっている。
従って、モジュールからの熱は、モジュールのこれら２つの面から、非常に効率よく放散される。その理由は、熱放散のためのこれら２つの面のどちらも、電子素子を搭載しておらず、熱放散を行う基板が、熱放散面全体と直接に接触することができているからである。
さらに、半導体ウェハの素子は、従来の手段を介して接続することができる。モジュールの組み立てには、特別な困難さもない。特に、各半導体ウェハを他の半導体ウェハに接続するための、特殊な要素は必要ではない。また、各ウェハの熱放散面には、いかなる素子も搭載していないので、この面と基板との接続は、簡単に行うことができ、特殊な要素の助けを必要とするものではない。
従って、このようなモジュールは、設計が簡単であり、そのため経済的であるにも拘わらず、モジュールの２つの面から熱を放散させることができ、電力モジュールを破壊する危険を伴うことなく、電力モジュールの中を流れる電流強度を、大幅に増加させることができる。
本発明はまた、次に挙げる特徴の中の１つ以上を備えている。
−電子素子の全て、または電子素子の中の少なくとも１つは、ダイオードまたはトランジスタから選択される。
−各ウェハの第２の面は、少なくとも１つのコネクタを備え、モジュールは、少なくとも１つの接続要素を備え、この接続要素は、１つのウェハの電子素子またはコネクタを、他のウェハの電子素子またはコネクタに接続している。従って、両方の半導体ウェハの上には、単一の回路が構成され、これにより、種々の素子が半導体ウェハにわたって分散され、熱放散を好適にすることができる。
−接続要素の全て、または、接続要素の中の少なくとも１つは、リボンケーブルで構成されている。このリボンケーブルは、電力接続のために使用され、これにより、種々の素子の間の電力の伝送を好適に行うことができる。特に、リボンケーブルは、交互に反対のアーチを描くように波状に作られており、第１のタイプのアーチの少なくとも１つのピークは、ウェハのうちの１つの第２の面に電気的に接続され、第２のタイプのアーチの少なくとも１つのピークは、他のウェハの第２の面に電気的に接続されている。これにより、コネクタの間、および／または電子素子の間の行路長を最短にすることができ、これにより、リボンケーブルの中を流れる電流による熱損失を抑制することができる。
−各ウェハは、ウェハの少なくとも２つの反対側の端、およびスペース支持要素を備えており、モジュールは、スペース支持要素が接触して、ウェハの第２の面の間のスペースを維持するように構成されている。これにより、モジュールの設計が容易になり、２つの面の間に維持されているスペースによって、電子素子および接続要素を、容易にウェハの上に挿入をすることができる。さらに、スペース支持要素によって、ウェハの間に形成されるスペースの厚さは、精度よく制御することができ、ウェハの間の距離が小さいことにより生ずるモジュールの過熱を防ぐことができる。
−スペース支持要素は、ウェハを互いに固定するための手段を備えている。例えば、相補的形状をして密着しあう表面を備えている。このような手段によって、２つのウェハは、互いに適合した位置に設置することが容易になり、モジュールの組み立て工程が簡単になる。従って、モジュールの製造コストを低減することができる。これらの手段によって、相補的に密着する表面を構成することができるので有利である。その理由は、ここで使用するような設置手段は、製作がそれほど高価ではないからである。
−ウェハの中の少なくとも１つは、プラスチック材料で作られたフレームを有する。このフレームは、スペース支持要素を備えていることが望ましい。これにより、モジュールは、コンパクトになり、電子素子を密着させることができ、このプラスチックフレームによって、外部から加えられる可能性がある力に対して保護することができる。
−モジュールはまた、スペース支持要素、および／またはフレームを固定するための手段を備えることもできる。これらの手段は、ねじによる固定手段であってもよく、従って、フレームまたはスペース支持要素には、固定ねじを挿入するための孔が設けられる。
本発明の別の主題は、本発明による電力モジュールの組み立て、および熱放散のための２つの基板の組み立てである。各基板は、それぞれ、ウェハのうちの１つの第１の面に電気的に接続されている（ウェハのうちの１つの第１の面に直接接触していることが望ましい）。基板は、導電表面（例えば、銀ペースト焼結、またはビーズ溶接等の公知の方法によって形成されたメタライズ表面）を介して、モジュールに接続することができる。
本発明の別の主題は、電力モジュールを組み立てるための方法であり、次に示す操作を備えている。
−２つの半導体ウェハを備えるモジュールにおいて、少なくとも１つの電子素子を、各ウェハの１つの面（接続面と呼ぶ）に設ける。
−ウェハを、２つの接続面が互いに対向して位置するように重ね合せる。
上記の方法により、本発明によるモジュールを製作することができる。これらの接続面は、当業者には理解しうるように、モジュールの第２の面に対応している。
本発明による方法はまた、次に示すステップを備えることができる。
−少なくとも１つの接続要素（リボンケーブルであることが望ましい）を、ウェハのうちの１つの接続面の上に設置する。
−ウェハを重ね合わせて、接続要素が、ウェハの第２の面の少なくとも１つのコネクタ、またはこの第２の面の上に配置された電子素子を、もう一方のウェハの第２の面のコネクタ、またはこの第２の面の上に配置された電子素子に電気的に接続する。
以下の説明を読むことにより、本発明をよりよく理解しうると思う。これらの説明は、図を参照して、単に例として示すものである。
本発明の１つの実施形態における電力モジュールの分解斜視図である。 図１に示す電力モジュールを備える構成体の縦断面図である。 図１および図２に示す電力モジュールの電気的回路図である。
図１〜図３は、本発明による電力モジュール１０を示している。図１および図２に示すように、電力モジュール１０は、２つの半導体ウェハ１２および１４を備えている。これらを、それぞれ、下部ウェハ１２および上部ウェハ１４と呼ぶことにする。これらのウェハ１２および１４は、導電回路から構成され、導電回路の上には、プラスチック材料がモールドされている。また、フレーム１６および１８が、各ウェハ１２および１４の周囲を囲んでいる。このフレームは、プラスチック材料からなり、かつウェハの導電回路の上にモールドされている。
フレーム１６および１８は、互いに上下に配置されており、スペース支持要素を形成している。これにより、ウェハ１２および１４は、重ね合わせて配置することができる。これは図２によく示されている。フレームの形状は、２つの重ね合わされたウェハの間にスペース１７を作るようになっている。スペースの厚さは、フレーム１６および１８の形状と寸法とから決定される。
また、図２から分かるように、フレームの下端と、それに対応する上端とは、相補的な形状を有しており、これらの表面は、密着面１３および１５を形成している。これにより、フレーム１６および１８は、効果的にかつ容易に、相対的に設けることができる。
モジュールはまた、２つのフレームを互いに固定するための固定手段１９を備えている。これは、図１において見ることができる。固定手段は、重ね合わされた孔を備えており、各孔は、フレーム１６および１８の各コーナに設けられ、その中に、固定要素（ねじ等）を差し込むようになっている。
各ウェハ１２および１４は、熱放散基板２４および２６に接触するようになっている第１の面２０および２２を備えている（図２に示してある）。従って、この面は、表面全体にわたって、電気的には絶縁物であり、熱的には導体であるフィルムによって被われ、これにより、熱放散を行うとともに、モジュールを安全にしている。これらの面は、モジュールの外表面を形成している。
各ウェハ１２および１４はまた、第１の面の反対側に、第２の面２８および３０を備えている。これら第２の面は、電子素子を受け入れる役目を有し、接続面と呼ぶ。モジュールは、２つのウェハ１２および１４の面２８および３０が、互いに反対側に位置して、２つのウェハの間にあるスペース１７を画定するように構成されている。
各ウェハは、その接続面の上に電力コネクタを備えている。これらのコネクタは、それぞれ、下部ウェハ１２の上の電力供給コネクタ３２および接地コネクタ３４、および上部ウェハ１４の上の相コネクタ３６である。また、ウェハは、制御および検出コネクタ３７を備えている。図１から分かるように、モジュールは、ラグ３９ａを備えており、このラグ３９ａは金属からなり、モジュールから突出している。これらのラグによって、モジュールの電力コネクタを、モジュールの外部に位置する他の要素と電気的に接続することができ、モジュールをより広域な回路に一体化することができる。モジュールはまた、制御コネクタを外部回路に接続するためのピン３９ｂも備えている。
電子素子（３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂ）は、ウェハ１２および１４の接続面２８および３０の上に配置されている。各ウェハ１２および１４は、例えば、２つのＩＧＢＴトランジスタ（それぞれ、ウェハ１２に対しては３８ａ、４０ａ、またウェハ１４に対して４２ａ、４４ａ）と、２つのダイオード（それぞれウェハ１２に対しては３８ｂ、４０ｂ、およびウェハ１４に対しては４２ｂ、４４ｂ）とを備えている。これらの素子は、各ウェハ１２および１４の接続面２８および３０の上に半田付けされている。
接続要素４６および４８もまた、接続面の上に実装され、コネクタおよび／または電子素子を、ともに接続している。接続要素は、電力リボンケーブル４６および制御ワイヤ４８を備えている。
２つのリボンケーブル４６は、例えば、ウェハの各電子素子３８ａ〜４４ｂの上に配置されて、それらをもう一方のウェハの電力コネクタに接続している。具体的には、リボンケーブル４６は、波打った形をしており、交互に反対のアーチを形成し、第１のタイプのアーチのピークは、素子に電気的に接続され、第２のタイプのアーチのピークは、もう一方のウェハの電力コネクタに電気的に接続されている。リボンケーブルと電力コネクタとの間には、金属要素４１が挿入されている。例えば、図２に見ることができるように、リボンケーブル４６は、ウェハ１２のトランジスタ３８ａを、ウェハ１４の相コネクタ３６に電気的に接続している。別のリボンケーブルは、ウェハ１４のトランジスタ４２ａを、ウェハ１２の接地コネクタ３４に電気的に接続している。
モジュールはまた、制御ワイヤ４８も備えており、制御ワイヤ４８のそれぞれは、トランジスタ３８ａ〜４４ａを制御コネクタ３７に接続している。
図３は、この実施形態における電子素子をさらに詳細に示している。これは、公知のハーフブリッジ回路であり、複数のトランジスタ３８ａ、４０ａ、および４２ａ、４４ａを備え、各トランジスタは、それぞれ、ダイオード３８ｂ、４０ｂ、および４２ｂ、４４ｂに並列に接続されている。２つのトランジスタダイオード対は、ウェハ１２の接続面２８の上に実装され、電力供給コネクタ３２と相コネクタ３６との間に搭載されている。一方、他の２つのトランジスタダイオード対は、ウェハ１４の接続面３０の上に実装され、相コネクタ３６と接地コネクタ３４との間に搭載されている。ウェハ１２のトランジスタ３８ａ、４０ａは、ウェハ１４のトランジスタ４２ａ、４４とともに、制御および検出コネクタ３７によって、同じ様式で制御される。複数のトランジスタを使用することにより、各トランジスタの中を流れる電流、およびモジュールによって放散される熱を分散させることができる。
この回路では、トランジスタ３８ａ〜４４ａは、交互開閉式スイッチとして動作する。ダイオード３８ｂ〜４４ｂは、フライホイールダイオードを形成し、これにより、スイッチを開くようにトランジスタに対する制御コマンドが送信されたときに、回路の中の過電圧を抑制することができる。このような構成によって、出力のところで、正負を交互に繰り返す電圧を供給することができる。通常、この回路の入力は、車両の電池に接続され、出力は、車両の電気モータに接続される。
このようなモジュールによって、効率のよい熱放散を行うことができる。その理由は、モジュールの２つの面を基板に接続することができ、これにより、熱放散を行うからである。さらに、この設計は単純であり、特殊な接続要素を使用する必要はない。さらに、このようなモジュールは、きわめて小さなスペースを占有するだけである。
次に、上に記述したモジュールを製作するための方法を、具体的に説明する。最初に、導電回路をモールドの中に配置する。そして、プラスチック材料をこの導電回路の上にモールドする。それにより、それぞれがフレーム１６および１８で周囲を囲まれた２つの半導体ウェハ１２および１４が得られる。
次に、種々の電子素子３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂを、それぞれのウェハ１２および１４の上に配置し、各素子を、ウェハ１２および１４の適切な導電回路の上に半田付けする。続いて、制御ワイヤ４８およびリボンケーブル４６を、上に述べたように、ウェハの上に配置する。次にこれらを、超音波溶接により、コネクタおよび／または電気素子に電気的に接続する。
その後、金属要素４１を、ウェハ１２のリボンケーブル４６のピークのところと、上部ウェハ１４のリボンケーブルの下部アーチのピークを受ける役目を有するウェハ１２のコネクタの上とに配置する。続いて、ウェハ１４をウェハ１２の上に配置し、密着面１３および１５によって、２つのウェハ１２および１４を重ね合わせる。
その後、各リボンケーブル４６を、ウェハに半田付けする。リボンは、このときに初めてウェハに接続される。その後、各ウェハの熱放散面２０および２２を、電気的には絶縁物ではあるが、熱的には導体であるフィルムによって被い、ラグおよびピン３９ａ、３９ｂ以外の他のチャネルによって、モジュールの外部へ電流が流れるのを防ぐようにする。
更に、２つのウェハ１２および１４の間に形成されているスペース１７の中に、レジンを注入する。これにより、素子は外部の要因から保護される。
その後、ねじ取り付け要素によって、２つのウェハ１２および１４を互いに固定する。
続いて、ウェハ１２および１４を、ウェハの第１の面２０および２２を、それぞれ、基板２４および２６に取り付け、これにより、熱を放散させることができる。また、これらの基板は、モジュールに固定し、基板がウェハの熱放散面２０および２２に直接に接触するようにすることができる。本発明の１つの実施形態による構成は、このようにして得られる。
本発明は、上に説明した実施形態に限定されるものではない。
先ず第１に、ウェハの上に実装する電子素子は、これまでに記述した素子に限定されるものではない。ハーフブリッジ回路を形成するために、各ウェハの上に単一のトランジスタダイオード対を使用した場合を想定しても、何の問題もない。また、ここに述べた電力モジュールの中に、別のタイプの回路を一体化することもできる。
同様に、接続要素も、上に記載したものに限定されるものではない。例えば、モジュールは、電力リボンケーブルを備えている必要はない。また、１つの素子当たり、より多くの数の電力リボンケーブルを備えていることも、同様に可能であると考えられる。
さらに、モジュールの形状は、上に記述した形状に限定されるものではない。モジュールは、モジュールの周囲を囲むフレームを備えている必要はなく、また、互いに正しいウェハの位置決めを行えるように密着面を備えている必要もない。モジュールは、ねじ取り付け手段以外の他の手段によって固定することも、同様に可能である。
モジュールの外面は、必ずしも、それらの全表面にわたって、熱放散基板に直接に接触している必要はない。さらに、２つのウェハのモジュールは、モジュールを基板に取り付ける手段と同じ手段を使用して取り付けることもできる。
さらに、本発明の方法は、必ずしも上に記述した方法に限定されるものではない。本発明の方法の中のいくつかのステップの順序を逆にすることも可能である。

Claims (10)

  1. 車両、特に電気走行車両のための電力モジュール（１０）であって、
    前記電力モジュールは、２つの重ね合わせられた半導体ウェハ（１２、１４）を備え、各ウェハは、熱放散基板（２４、２６）に接続されるように設計された第１の面（２０、２２）と、少なくとも１つの電子素子（３８ａ〜４４ｂ）が配置されている、前記第１の面と別個の第２の面（２８、３０）とを備え、前記モジュールは、前記ウェハの第２の面が互いに対向して配置されるように構成されていることを特徴とする電力モジュール。
  2. 各ウェハの前記第２の面は、少なくとも１つのコネクタ（３２、３４、３６、３７）を備え、前記モジュールは、電子素子（３８ａ〜４４ｂ）を接続するための少なくとも１つの接続要素（４６、４８）、または電子素子に対する、前記ウェハのうちの一方のコネクタ、または前記ウェハのうちの他方のコネクタを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の電力モジュール。
  3. 前記接続要素の中の全て、または少なくとも１つは、リボンケーブル（４６）によって構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電力モジュール。
  4. リボンケーブル（４６）は、交互に反対のアーチを描くように波状に作られ、第１のタイプのアーチの少なくとも１つのピークは、一方のウェハ（１２）の第２の面（２８）に電気的に接続され、第２のタイプのアーチの少なくとも１つのピークは、他方のウェハ（１４）の第２の面（３０）に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力モジュール。
  5. 各ウェハは、少なくとも２つの反対側の端に、スペース支持要素（１６、１８）を備え、前記モジュールは、前記スペース支持要素が互いに接触して、前記ウェハの前記第２の面の間に、スペース（１７）が保持されるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力モジュール。
  6. 前記スペース支持要素は、前記ウェハを互いにロックするための手段を備え、特に、相補的な形状を有する密着面（１３、１５）を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力モジュール。
  7. 前記ウェハの中の少なくとも１つは、フレーム（１６、１８）を有し、このフレームは、望ましくは、前記スペース支持要素を備えていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力モジュール。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力モジュールのアセンブリーと、２つの熱放散基板（２４、２６）のアセンブリーであって、前記基板のそれぞれは、前記ウェハのうちの１つの前記第１の面に電気的に接続され、前記ウェハのうちの１つの前記第１の面に直接に接触していることを特徴とするアセンブリー。
  9. 電力モジュール（１０）を組み立てるための方法であって、
    −前記モジュールは、２つの半導体ウェハ（１２、１４）を備え、少なくとも１つの電子素子（３８ａ〜４４ｂ）を、前記ウェハのそれぞれの、接続面（２８、３０）と呼ばれる１つの面の上に配置する操作と、
    −ウェハ（１２、１４）を、前記接続面が互いに対向して配置されるように重ね合わせる操作とを有することを特徴とする方法。
  10. 少なくとも１つの接続要素であるリボンケーブル（４６）は、ウェハ（１２、１４）のうちの１つの接続面（２８、３０）の上に配置され、ウェハ（１２、１４）は、重ね合わされて、前記接続要素は、前記ウェハの前記接続面の少なくとも１つのコネクタ（３２、３４、３６）、または前記面の上に配置された電子素子（３８ａ−４４ｂ）を、他方のウェハの前記接続面のコネクタ、または前記面の上に配置された電子素子に電気的に接続するようになっていることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
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