JP2018512742A - パワーエレクトロニクスモジュール - Google Patents

Abstract

パワーエレクトロニクスモジュール（１０）は、冷却液を受けるための冷却チャネル（２２）を含む第１の液体冷却器（１２ａ）を含み、第１の液体冷却器（１２ａ）は、パワーエレクトロニクスモジュール（１０）の第１の端子（２４）を提供する金属体（２０）を含み、パワーエレクトロニクスモジュールはさらに、冷却液を受けるための冷却チャネル（２２）を含む第２の液体冷却器（１２ｂ）を含み、第２の液体冷却器（１２ｂ）は、パワーエレクトロニクスモジュール（１０）の第２の端子（２４）を提供する金属体（２０）を含み、パワーエレクトロニクスモジュールはさらに、第１の液体冷却器（１２ａ）と第２の液体冷却器（１２ｂ）との間に配置された複数の半導体チップ（１４）を含み、各半導体チップ（１４）の第１の電極（３２ａ）が第１の液体冷却器（１２ａ）に接合されるようになっており、第１の電極（３２ａ）は第１の液体冷却器（１２ａ）と電気的に接触し、各半導体チップ（１４）の対向する第２の電極（３２ｂ）は第２の液体冷却器（１２ｂ）と電気的に接触するようになっており、パワーエレクトロニクスモジュールはさらに、第１の液体冷却器（１２ａ）、第２の液体冷却器（１２ｂ）、および複数の半導体チップ（１４）を絶縁材（１６）内に成形することによって形成された絶縁封止部（１８）を含み、第１の液体冷却器（１２ａ）、第２の液体冷却器（１２ｂ）、および複数の半導体チップ（１４）は、絶縁材（１６）上に少なくとも部分的に埋め込まれるようになっている。

Description

発明の分野
この発明は、大電力半導体の実装の分野に関する。特に、この発明は、パワーエレクトロニクスモジュールに、および電気コンバータ用のパワーセルに関する。

発明の背景
たとえばＳｉＣ基板ベースのワイドバンドギャップ半導体装置は、Ｓｉ基板ベースの同等の装置よりも高い最大阻止電圧を提供することができる。ＳｉＣ半導体装置のより低いスイッチング損失と組合されたより高い最大阻止電は、中電圧および高電圧用途用のコンバータ設計のさらなる柔軟性を可能にする。

たとえば、ＭＶ用途の電圧範囲全体が、単純な２レベルの電圧源コンバータトポロジーでカバーされ得る。より高いスイッチング周波数が、全高調波歪みを著しく減少させ得る。

高電圧用途における典型的な２レベルまたは３レベルのトポロジーについては、直列接続の半導体の数が激減され得る。これは、ゲートドライバの数、ならびに、積層冷却器およびモジュールの数も減少させ得る。

高電圧用途におけるモジュラーマルチレベルコンバータまたはカスケード接続されたハーフブリッジトポロジーについては、コンバータセルの数が激減され得る。ここでも、これは、ゲートドライバの数、ならびに、積層冷却器およびモジュールの数も減少させ得る。さらに、コンバータ全体の体積が著しく減少され得る。

加えて、高電圧ＳｉＣ装置は、より高い宇宙線頑強性を提供し得る。
さらに、ＳｉＣ装置は、高温および大電流動作を可能にするであろうし、場合によってはＳｉＣ面積およびパワーモジュール占有面積の著しい収縮を可能にし得る。

最後に、ＳｉＣベースの高電圧用途用のモジュラーマルチレベルコンバータおよびカスケード接続されたハーフブリッジトポロジーは、短絡不良モード（short circuit failure mode：ＳＣＦＭ）動作の必要性を低下させ得る。

しかしながら、ワイドバンドギャップ半導体装置の設計および動作特性はＳｉ装置と比べて異なるため、これらの装置をモジュールになるよう組み立てるための新規の実装概念が必要とされ得る。

たとえば、従来のＳｉ半導体装置と比べて、ＳｉＣ装置のチップ面積はより小さく、したがってその電流定格がより低くなり得るため、さらに多数の装置の並列接続を必要とし得る。

さらに、高い損失密度が、進んだ熱拡散および冷却を必要とし得る。加えて、ＳｉＣバイポーラ装置の抵抗の非常に低いまたは負の温度係数が、並列のバイポーラ装置にわたって非常に均一な温度抵抗を要求し得る。

より高い動作電圧が、基板金属化エッジでの部分放電のためのより高い保護を必要とし得る。たとえば、鋭いＤＢＣ（direct bonded copper substrate：直接接合された銅基板）のＣｕエッジ、および、マイクロメートル範囲の湾曲を有する活性金属ろう付け突起が、かなりの電界集中をもたらす場合があり、超高電圧用途で特に懸念される。より高いエッジ終端面電界が、エッジ終端付近での絶縁強度の強化と汚染および結露の排除との必要性をもたらし得る。

より速いスイッチング能力が、より高い過渡電流をもたらし得る。また、多数の並列装置の同期スイッチングの必要性があり得る。

ＵＳ２０１４／０２９１８３２ Ａ１は、２つのＤＢＣ（直接銅接合）基板間に介在し、成形化合物に成形されたＩＧＢＴおよびダイオードを有する、パワー半導体モジュールに関する。当該基板に２つの冷却シェルが接合される。

ＥＰ ２ ２７０ ８５５ Ａ１は、２つの基板プレートと、当該２つの基板プレート間の半導体部品とを有する、両面冷却モジュールに関する。

ＤＥ ４１ ０３４８６ Ａ１は、２つの液体冷却電極間に搭載された半導体装置を有する冷却構成を示す。当該半導体装置は、当該２つの電極間に配置された絶縁プレートの開口部に配置される。

発明の説明
この発明の目的は、ワイドバンドギャップスイッチング装置の異なる設計および動作特性を考慮するパワーエレクトロニクスモジュールを提供することである。たとえば、そのようなパワーエレクトロニクスモジュールは、ワイドバンドギャップ装置が通常必要とする強化された電気絶縁性と組合された良好な冷却能力を提供する。

この目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる例示的な実施形態は、従属請求項および以下の説明から明らかである。

この発明の一局面は、たとえば高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）用途のために、および／または、高電圧および中電圧パワーコンバータのために使用され得るパワーエレクトロニクスモジュールに関する。「パワーエレクトロニクス」という用語は、１００Ａを上回る、および／または１，０００Ｖを上回るスイッチング電流に適合された電子装置を指してもよい。中電圧は、１，０００Ｖ〜２０，０００Ｖの電圧であってもよい。高電圧は、２０，０００Ｖよりも高い電圧であってもよい。

この発明の一実施形態によれば、パワーエレクトロニクスモジュールは、第１および第２の液体冷却器と、当該冷却器間の複数の半導体チップと、当該冷却器およびチップが少なくとも部分的に埋め込まれる（電気的）絶縁封止部とを含む。

第１の液体冷却器は、冷却液を受けるための冷却チャネルを含み、第１の液体冷却器は、パワーエレクトロニクスモジュールの第１の端子を提供する金属体を含む。また、第２の液体冷却器は、冷却液を受けるための冷却チャネルを含み、第２の液体冷却器は、パワーエレクトロニクスモジュールの第２の端子を提供する金属体を含む。一般に、冷却器の各々は、その金属体の内部に、冷却液を導くために使用されるキャビティを含んでいてもよい。さらに、冷却器の各々は、１つ以上の冷却導管をそれぞれの冷却器と接続するための接続部またはプラグを提供してもよい。

第１および第２の冷却器間に中間冷却器が配置されることが可能であってもよく、第１の冷却器と中間冷却器との間に半導体チップの第１の層が配置され、中間冷却器と第２の冷却器との間に半導体チップの第２の層が配置される。そのような二重に積み重ねられたモジュールは、１つのモジュール内にハーフブリッジを提供することに関して有用であり得る。

冷却器のうちの１つ、２つ、またはすべてが、並列の半導体チップにわたって非常に低く均一な熱抵抗を提供する、フィン、マイクロチャネル、ミニチャネル、および／または衝突構造に基づいていてもよい。ミニチャネルは、約１００μｍ〜１ｍｍの直径を有するチャネルであってもよい。マイクロチャネルは、約１００μｍ未満の直径を有するチャネルであってもよい。衝突構造は、冷却されるべき表面上への液体の噴霧またはジェット冷却を含んでいてもよい。冷却器のうちの一方または双方の内部で冷却液が蒸発する（対流沸騰）ことも可能であってもよい。

複数の半導体チップは、第１の液体冷却器と第２の液体冷却器との間に配置され、各半導体チップの第１の電極が第１の液体冷却器に接合されるようになっている。そのような方法で、第１の電極は第１の液体冷却器と電気的に接触し、各半導体チップの対向する第２の電極は第２の液体冷却器と電気的に接触している。たとえば、各対向電極は、導電性ポストを介して第２の冷却器と、または中間冷却器と接触していてもよい。

冷却器は、略プレート状の形状を有する金属体を有していてもよい。半導体チップは、冷却器のうちの２つの間で並んで（平行な行および／または列で）配置されてもよい。半導体チップは第１の冷却器に直接接合されているため、（ＤＢＣ基板などの）基板の金属化エッジからの部分放電が回避され得る。

第１および第２の冷却器は、パワーエレクトロニクスモジュールの端子を提供してもよい。電流が、電流を半導体チップの第１の電極に分散させる第１の冷却器の金属体を介して当該モジュールに入ってもよく、第２の冷却器の金属体を通って当該モジュールから出てもよい（逆も同様）。冷却器は半導体チップから電気的に絶縁されていない、ということが理解されるべきである。

封止部は、第１の液体冷却器、第２の液体冷却器、および複数の半導体チップを絶縁材内に成形することによって形成され、第１の液体冷却器、第２の液体冷却器、および複数の半導体チップは、絶縁材上に少なくとも部分的に埋め込まれるようになっている。たとえば、冷却器および接合されたチップのアセンブリが金型内に配置され、凝固する絶縁材内に入れられてもよい。たとえば、チップを収容する冷却器間の空間が、絶縁材で完全に充填されてもよい。

この発明の一実施形態によれば、第１の冷却器、第２の冷却器、および／または中間冷却器は、端子および冷却液接続部のみが絶縁材から突出するように絶縁材内に埋め込まれる。さらに、複数の半導体チップは絶縁材内に完全に埋め込まれる。言い換えれば、パワーエレクトロニクスモジュールの実質的にすべての部品が絶縁材内に埋め込まれてもよい。特に、冷却器の金属表面の９０％以上とチップのすべてとが、絶縁材内に埋め込まれてもよい。そのような方法で、当該モジュールは非常に良好な電気絶縁性を提供でき、それはさらに高電圧用途に適し、非常に良好な冷却を提供し得る。なぜなら、チップが冷却器の金属体と直接熱接触しているためである。

この発明の一実施形態によれば、第１の冷却器は、半導体チップが接合されるキャビティを含む。また、中間冷却器は、存在する場合、第２の冷却器に向けられた側にそのようなキャビティを含んでいてもよい。たとえば、そのようなキャビティは、それぞれの冷却器の金属体に機械加工されてもよい。キャビティは、モジュール全体の幅を減少させるのに、および／または、基板への薄型ゲートワイヤボンドを可能にするのに有用であってもよい。さらに、キャビティは、チップを互いに対して、および／または冷却器に対して整列させるのに有用であってもよい。

しかしながら、第１の冷却器（および／または中間冷却器）がチップの側に略平面状の表面を有すること、ならびに、チップがそれぞれの平面状電極を用いてこの平面状の表面に接合されることも可能であってもよい。

この発明の一実施形態によれば、半導体チップは、第２の液体冷却器および／または中間冷却器から突出するポストに接合される。これらのポストは、それぞれの液体冷却器の金属体の一部であってもよく、すなわち、それぞれの冷却器と同じ材料のものであってもよい。ポストがそれぞれの液体冷却器に接合されることも可能であってもよい。

半導体チップは隣の液体冷却器に直接接合されるため、（ＤＢＣ基板などの）基板の金属化エッジからの部分放電が同様に回避され得る。チップの第２の電極の上側にワイヤボンドがないため、チップも上側から冷却され得る。さらに、ポストにより、モジュールは、向上した耐短絡能力を有し得る。

上述のように、チップおよび／またはポストは、冷却器に接合されてもよい。この文脈では、接合とは、それぞれの電極を冷却器／ポストと相互接続するために適合された任意の方法を意味し得る。たとえば、接合は、はんだ付け、または無圧焼結などの焼結、または過渡液相接合であってもよい。

この発明の一実施形態によれば、半導体チップは、ワイドバンドギャップ半導体装置を担持する。たとえば、半導体チップは、ＳｉＣダイオード、トランジスタ、および／またはサイリスタであってもよい。しかしながら、半導体チップはまた、Ｓｉ、ＧａＮ、または他の半導体材料であってもよく、たとえばＳｉとＳｉＣなど、異なる半導体材料がハイブリッドアプローチで組合されることも可能であってもよい。

なお、モジュール設計は、Ｓｉおよび他の半導体にとっても有益であってもよく、ＳｉＣに限定されない。加えて、低電圧ＳｉまたはＳｉＣ半導体も、このモジュールに実装され得る。たとえば、モジュールは、自動車などの電気またはハイブリッド車両のコンバータに使用されてもよい。このＥＶ／ＨＥＣ用途では、ＤＢＣおよびベースプレートといった、コストおよび信頼性が重要な配線および実装材が排除され得るため、概念は特に興味深いものであり得る。

この発明の一実施形態によれば、第１の液体冷却器および第２の液体冷却器は、少なくとも１つの貫通穴ピンと整列される。たとえば、冷却器の金属体は、半導体チップの１つまたは２つの層の延長に略直交する貫通穴を有していてもよい。ピンが、第１の冷却器と第２の冷却器および／または中間冷却器との貫通穴に配置されてもよく、その貫通穴はピンでふさがれてもよく、ピンは、第１の冷却器を整列させ、第２の冷却器および／または中間冷却器を第１の冷却器に対して整列させてもよい。そのような整列は特に、半導体の上側ポストが上側冷却器の一部である場合に使用されてもよい。

この発明の一実施形態によれば、パワーエレクトロニクスモジュールを等しく設計されたパワーエレクトロニクスモジュールと直列接続するために、パワーエレクトロニクスモジュールが当該等しく設計されたパワーエレクトロニクスモジュールと積み重ねられ得るように、第１の液体冷却器の金属体は、絶縁材から突出する平面状の第１の端子を提供し、第２の液体冷却器の金属体は、絶縁材から反対方向に突出する平面状の第２の端子を提供する。平面状の端子は、プレート状の冷却器および／または並列接続された半導体チップの層の延長方向と略平行であってもよい。これらの直列接続されたパワーエレクトロニクスモジュールのうちの２つ以上のタワーが、ともにクランプされてもよい。

この場合、絶縁材は、平面状の端子を除き、冷却器およびチップを完全に包囲してもよい。

この発明の一実施形態によれば、ゲート電極を有する半導体チップのそばに、金属配線層を含む基板が、金属配線層が第１の液体冷却器から電気的に分離され、ゲート電極がワイヤボンドを用いて金属配線層に接続されるように、第１の液体冷却器に接合される。中間冷却器が存在する場合、中間冷却器の第２の冷却器に面する側は、同様に設計されてもよい。

たとえば、基板は、１つの金属配線層を用いて第１の冷却器に焼結されるかまたははんだ付けされ、第１の冷却器から電気的に絶縁された第２の金属配線層を提供する、ＤＢＣまたはＰＣＢ（プリント回路板）基板であってもよい。チップの第２の電極と同じ側に配置され得るゲート電極は、１つ以上のワイヤボンドを用いて金属配線層と接続されてもよい。２つ以上のチップの２つ以上のゲート電極が同じ金属配線層に接続されることも可能であってもよい。

この発明の一実施形態によれば、ゲート端子に電気的に接続されたばねが、第２の液体冷却器に電気的に絶縁されて取付けられ、金属配線層に押し付けられる。ゲート端子は、第２の冷却器および／または中間冷却器上の第１の冷却器に面する側に提供されてもよい。ゲート端子上には、金属配線層ごとにばねが提供され、ばねは、第２の冷却器および／または中間冷却器が第１の冷却器上に置かれた場合、金属配線層に押し付けられる。

金属配線層を有する基板、冷却器間のゲート端子、および／またはばねは、封止部の絶縁材内に完全に埋め込まれてもよい。

これに代えて、ゲート端子ロッドが、金属配線層に電気的に接触するように第２の液体冷却器および／または中間冷却器を通って誘導される。この場合、ゲート端子は、第２の冷却器および／または中間冷却器の外側に提供されてもよい。

この発明の一実施形態によれば、ゲート端子ロッドに接続されたゲートコントローラが、封止部上に位置付けられる。

この発明の一実施形態によれば、第１の液体冷却器および／または第２の冷却器は、パワーエレクトロニクスモジュールから両側で突出する２つ以上の端子を提供する。たとえば、当該モジュールの端子は、プレート状の冷却器および／または半導体チップの層の延長方向と略平行にモジュールから延在することが可能であってもよい。２つ以上の側で、端子はモジュールから延在することが可能であってもよい。（端子間の）中間エリアで、冷却器は封止部の絶縁材内に埋め込まれてもよい。

この発明の一実施形態によれば、第１の液体冷却器および半導体チップは、第２の液体冷却器と、第１の液体冷却器および第２の液体冷却器に平行に配置された端子プレートとから形成された端子ケージの内部に配置される。第２の冷却器および端子プレートが、第１の冷却器（およびオプションで中間冷却器）ならびに半導体チップの周りに導電体のケージを形成することが可能であってもよい。これは、同軸端子構成と見なされ得る。この構成は、端子および／またはチップの他の構成に対して、よりハードな、および／またはより同期するスイッチングを可能にし得る。

導電性ケージを形成するために、第２の液体冷却器と端子プレートとは、側方接続プレートを介して相互接続されてもよい。たとえば、モジュールのすべての側で、第１の液体冷却器と端子プレートとは、接続プレートを用いて相互接続されてもよい。

この発明の一実施形態によれば、パワーエレクトロニクスの液体冷却器のうちの少なくとも１つは、銅、アルミニウム、ＡｌＳｉＣ、モリブデン、および／またはこれらの材料の合金から作られる。キャビティとして冷却チャネルを含み得る、および／または端子を提供し得る、液体冷却器の金属体は、一体型であってもよい。たとえば、冷却器は、冷却チャネル、チップ用のキャビティ、および／またはポストとともに、アルミニウムまたは銅から鋳造されてもよい。

この発明の一実施形態によれば、パワーエレクトロニクスモジュールは、絶縁材に埋め込まれた液体冷却器および半導体チップを収容するハウジングをさらに含み、ここでハウジングは、液体冷却器および半導体チップを包囲する（砂などの）爆発緩和材で充填される。開放アークおよび／または部品の破壊を防止するために、１つまたはいくつかのパワーエレクトロニクスモジュールが防爆ボックス内に配置されてもよい。

この発明のさらなる局面は、パワーエレクトロニクスモジュールの設計に基づいた、ハーフブリッジ・パワーエレクトロニクスモジュールに関する。

この発明の一実施形態によれば、当該ハーフブリッジモジュールは、第１のＤＣ端子を提供する第１の液体冷却器と、第２のＤＣ端子を提供する第２の液体冷却器と、冷却液を受けるための冷却チャネルを含む中間液体冷却器とを含み、中間液体冷却器は、パワーエレクトロニクスモジュールのＡＣ端子を提供する金属体を含む。半導体チップの第１の層が第１の液体冷却器に接合され、導電性ポストを介して中間液体冷却器と電気的に接触している。さらに、半導体チップの第２の層が中間液体冷却器に接合され、導電性ポストを介して第２の液体冷却器と電気的に接触している。

（トランジスタおよび／またはサイリスタであり得る）第１の層の半導体チップは、ハーフブリッジの第１の脚を提供してもよい。（トランジスタおよび／またはサイリスタであり得る）第２の層の半導体チップは、ハーフブリッジの第２の脚を提供してもよい。冷却器は、ハーフブリッジのＡＣ端子およびＤＣ端子を提供してもよい。

そのような積み重ねられた二重構成は、１層のすべての半導体チップの同期スイッチングを可能にし得る。さらに、積み重ねられた二重構成は、上述のような同軸端子構成と組合されてもよく、それもハーフブリッジモジュールのスイッチング能力を強化し得る。

この発明のさらなる局面は、モジュラーおよび／またはマルチレベルコンバータなどの電気コンバータ用のパワーセルに関する。

この発明の一実施形態によれば、パワーセルは、少なくとも１つのキャパシタと、当該キャパシタに搭載された、上および以下に説明されるような少なくとも１つのパワーエレクトロニクスモジュールとを含む。固体絶縁材に埋め込まれた液体冷却器および半導体チップは、パワーモジュールおよび近くのコンバータ部品のコンパクトな配置を可能にし得る。そのようなパワーモジュールは、ＤＣリンクキャパシタに、またはセルキャパシタに直接搭載されてもよい。

たとえば、キャパシタは、パワーモジュールの端子が直接接続される端子を提供してもよい。パワーエレクトロニクスモジュールをキャパシタに電気的に接続するためのバスバーまたは同等の導体は、必要ないであろう。これはまた、過渡電流およびスイッチング速度に関して利点を有し得る、キャパシタとパワーエレクトロニクスモジュールとの電気的接続のより低いインダクタンスをもたらし得る。

この発明のこれらのおよび他の局面は、以下に説明される実施形態から明らかになり、当該実施形態を参照して解明されるであろう。

図面の簡単な説明
以下の文章において、この発明の主題を、添付図面に図示される例示的な実施形態を参照してより詳細に説明する。

この発明の一実施形態に従ったパワーエレクトロニクスモジュールの断面図を概略的に示す図である。 この発明のさらなる実施形態に従ったパワーエレクトロニクスモジュールの一部の断面図を概略的に示す図である。 この発明のさらなる実施形態に従ったパワーエレクトロニクスモジュールの断面図を概略的に示す図である。 この発明の一実施形態に従った２つの積み重ねられたパワーエレクトロニクスモジュールの断面図を概略的に示す図である。 この発明の一実施形態に従ったハーフブリッジモジュールの断面図を概略的に示す図である。 この発明のさらなる実施形態に従ったハーフブリッジモジュールの断面図を概略的に示す図である。 この発明のさらなる実施形態に従ったハーフブリッジモジュールの断面図を概略的に示す図である。 この発明のさらなる実施形態に従ったハーフブリッジモジュールの部品の斜視図を概略的に示す図である。 この発明のさらなる実施形態に従ったハーフブリッジモジュールの断面図を概略的に示す図である。 この発明の一実施形態に従ったコンバータパワーセルの斜視図を概略的に示す図である。

図面で使用される参照符号、およびそれらの意味を、参照符号のリストに要約形式で列挙する。原則として、図中、同一部分には同じ参照符号が与えられる。

例示的な実施形態の詳細な説明
図１は、第１の液体冷却器１２ａと、第２の液体冷却器１２ｂと、冷却器１２ａ、１２ｂ間に介在する複数の半導体チップ１４とを含む、パワーエレクトロニクスモジュール１０を示す。半導体チップ１４および冷却器１２は絶縁材１６内に埋め込まれ、それはパワーエレクトロニクスモジュール１０の封止部１８を形成する。

冷却器１２ａ、１２ｂの各々は、たとえば銅またはアルミニウムから形成された金属体２０を有し、それは冷却チャネル２２を含む。金属体２０は略プレート状の形状を有し、（図１ではパワーエレクトロニクスモジュール１０の一方側で）パワーエレクトロニクスモジュール１０の端子２４を提供する。他方側では、プラスチック材料で作られ得る冷却接続部またはプラグ２６が金属体２０に取付けられ、それは絶縁材１６から突出している。冷却器１２ａ、１２ｂの金属体２０は、端子２４を除き、絶縁材１６内に埋め込まれる。

端子側の鋸歯線は、端子２４間の沿面距離を増加させるための絶縁材における表面パターン２８を示す。

冷却器の金属体２０は、アーク浸食が冷却液に到達し得ることを回避するために、（金属体２０のプレート延長に直交する）幅を約１〜２ｃｍ有していてもよい。

冷却器１２ａ、１２ｂは、アークの位置を操作するために、冷却チャネル２０の内部に、および／または外面上に、セラミック保護層またはプラスチックコーティングを有していてもよい。

冷却器１２ａ、１２ｂは、フィン、ミニチャネル（約１００μｍ〜１ｍｍ）、マイクロチャネル（１００μｍ未満）、および／または脱イオン化水のための衝突構造に基づいていてもよい。非常に高い熱抵抗均質性要件のために、冷却チャネル２０は、通常の液体流構成で配置されてもよく、および／または、好適な熱媒液を用いた蒸発沸騰のために設計されてもよい。高い冷却性能が必要とされる場合、冷却液がノズルを用いて冷却ゾーンに噴霧され得る衝突冷却アプローチが検討されてもよい。冷却接続部またはプラグ２６、および／またはパワー端子２４は、別々のバスシステムに接続されてもよい。

図１では、ＳｉＣ基板またはシリコン基板ベースのダイオード、トランジスタ、またはサイリスタであり得るチップ１４は、冷却器１２ａ、１２ｂのプレート状形状の金属体２０の延長と略平行な層３０に配置される。チップ１４は、行列状に、すなわち２次元状に配置されてもよい。

チップ１４の各々は、一方側にある平面状の第１の電極３２ａと、反対側にある平面状の第２の電極３２ｂとを有する、本体を有する。

第１の電極３２ａは、第１の冷却器１２ａの表面に接合（焼結またははんだ付け）される。図１に示すように、第１の冷却器１２ａは、チップ１４が収容されるキャビティまたはくぼみ３４を有していてもよい。これらのキャビティは、多くのチップ１４を整列させたり、異なるチップ高さ（たとえばスイッチおよびダイオード）を調節するのに、および、基板への薄型ゲートワイヤボンドを可能にするのに有用であってもよい。たとえば、キャビティ３４は冷却器１２ａの金属体２０に機械加工されてもよく、その後、チップ１４がキャビティ３４内に焼結されてもよい。

図１には、並列接続された還流ダイオードおよび並列接続されたスイッチ（トランジスタまたはサイリスタ）が示されており、それらは、異なる深さのキャビティ３４によって補償される異なる高さを有する。

各チップの第２の電極３２ｂはポスト３６に接合され、ポスト３６は、冷却器１２ｂの金属体２０の一部（たとえば機械加工された一部）であってもよく、または冷却器１２ｂに接合されていてもよい。ポスト３６が別部品である場合、それはまずチップ１４に接合され、次に冷却器１２ｂに接合されてもよい。ポスト３６は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはモリブデン（Ｍｏ）で作られてもよい。ポスト３６との接続は電圧とともに拡張可能であり、より長いポスト３６がより高い電圧用に使用されてもよい。Ｓｉ半導体チップ１４のためのＳＣＦＭ（短絡不良モード）形成（すなわち、短絡不良下での低抵抗Ｓｉ／Ａｌ合金の形成）を可能にするために、ポストはＡｌから作られてもよく、または、Ａｌプレートがチップ１４とポスト３６との間に設けられてもよい。

チップ１４は冷却器１２ａに直接搭載されるとともに、良好な熱伝導性も提供し得るポストを介して冷却器１２ｂに搭載されるため、冷却経路が絶縁経路から切り離される。冷却性能は、超高電圧用途に拡張可能である。

チップ１４とポスト３６との間、および／またはポスト３６と冷却器１２ｂとの間に、Ｍｏバッファプレート３８を追加することが可能である。また、電極３２ａはＭｏバッファプレート３８で保護されてもよい。これらのバッファプレート３８／バッファ層は、たとえば熱循環中に応力を減少させるために、ＳｉＣとの熱膨張係数の整合を改良し得る。

チップ１４は、それらの電極３２ａで第１の冷却器１２ａにより、およびそれらの電極３２ｂで第２の冷却器１４ｂにより、並列接続される。電流が、端子２４のうちの一方を通ってパワーエレクトロニクスモジュール１０に入ってもよく、冷却器１２ａ、１２ｂのうちの一方によって並列接続されたチップ１４に分散され、他方の冷却器１２ａ、１２ｂによって集められてもよく、他方の端子２４を通ってパワーエレクトロニクスモジュールから出る。

電流伝導にも使用される冷却器１２ａ、１２ｂにチップ１４が直接接続されているため、チップ１４を冷却器１２ａ、１２ｂと相互接続するためのＤＢＣ基板が回避され、ひいては、鋭い金属化エッジによって生成され得る部分放電が回避され得る。部分放電をさらに減少させるために、冷却器１２ａ、１２ｂのエッジは丸みを帯びていてもよい。

さらに、本設計は、チップ１４の両側での広面積接触、および低い熱抵抗で取付けられた高い熱質量（金属体２０）により、向上したサージ電流耐量能力を提供し得る。

スイッチ用のゲート接続部、すなわち、ゲート電極４０を有するチップ１４が、ボンドワイヤ４２を用いて実現され得る。対応するチップ１４のそばに（および／または対応するキャビティ３４のそばに）、金属配線層４６を有する基板４４が取付けられ（接着、接合、焼結、またははんだ付けされ）てもよい。１つ以上のチップ１４のゲート電極４０は、ワイヤボンド４２を用いて金属配線層４６と接続されてもよい。たとえば、基板４４は、チップ１４の行のそばに収集線として配置されてもよい。

基板４４の金属配線層４６は、冷却器１２ｂに取付けられた１つ以上のばね４８によって接触されてもよい。ばね４８は、ＰＣＢのような絶縁基板、またはＣｕ／ポリイミドのような金属化フレックス箔といった、冷却器１２ｂに取付けられたゲート端子５０に電気的に接続されてもよい。そのような方法で、並列のチップ１４間の低インダクタンスのおよび／または対称的なゲート接続部が実現されてもよい。

冷却器１２ａ、１２ｂは、プレート形状の金属体２０およびチップ１４の層３０の延長に略直交する貫通穴を有していてもよい。これらの貫通穴を通ってピン５２が延在してもよく、ピン５２は、冷却器１２ａ、１２ｂを互いに対して整列および／または固定させるために使用される。

チップ１４、冷却器１２ａ、１２ｂは、固体絶縁材１６、たとえば圧縮成形化合物および／またはトランスファー成形化合物に埋め込まれる。絶縁材１６は、冷却器１２ａ、１２ｂの材料（ＣｕまたはＡｌなど）に整合された熱膨脹係数（coefficient of thermal expansion：ＣＴＥ）を有していてもよい。このＣＴＥ整合により、成形後の反りの問題が回避され得る。

端子２４および接続部２６に加えて、パワーエレクトロニクスモジュール１０の全部品、たとえばばね４８、基板４４、およびゲート端子５０の大部分も、固体絶縁されてもよい。これは、沿面距離および空中襲撃距離が大いに減少され得るため、いくつかのパワーモジュール１０および近くのコンバータ部品のコンパクトな配置、ならびに新規のコンバータ統合アプローチを可能にし得る。

絶縁材１６はエポキシ成形化合物であってもよく、それは、エッジ終端への水分浸透の問題が改良され得るように、シリコーンゲルよりも著しく低い水分拡散係数を有していてもよい。

絶縁材１６はまた、シリコーンゴムであってもよい。材料の柔らかさは、短絡条件下での部品の破壊を回避するのに有用であり得る。また、モジュール１０において軟質絶縁材と硬質絶縁材とを組合せて、超過圧力ガスを軟質材に沿ってモジュール１０またはコンバータの通気エリアに向けることも可能である。

図２は、代替的なゲート接続部を有するパワーエレクトロニクスモジュール１０の一部を示す。この場合、冷却器１２ｂは貫通穴を有し、そこでは、ゲート端子ロッド５４が、金属配線層４６と電気的に接触するように冷却器１２ｂを通って誘導される。これらのロッド５４は、冷却器１２ｂの上側でゲート端子に接続されてもよく、または、冷却器１２ａ、１２ｂ間で、冷却器１２ｂの内側に取付けられたゲート端子５０に接触されてもよい。図２のモジュール１０の他の部品は、図１に関して説明されたものと等しく設計されてもよい。

さらに、ゲート端子ロッド５４に接続された（たとえば、制御部品およびオプションで保護部品を有するプリント回路基板を含む）ゲートコントローラ５５が封止部１８上に位置付けられることが可能であってもよい。ゲートコントローラ５５は、パワーモジュール１０上に、ロッド５４に非常に接近して位置付けられてもよい。冷却器１２ｂはその場合、ゲートコントローラ５５と半導体チップ１４との間にあり得るため、良好な熱分離が達成され得る。このように、たとえばＳｉＣによって可能とされるような高Ｔ半導体動作、およびゲートコントローラ５５の制御電子部品の低温定格の問題はないかもしれない。

図３は、チップ１４の層および／またはプレート状形状の冷却器１２ａ、１２ｂと実質的に同じ方向に延在するモジュール１０の両側に平面状の端子２４’を有するパワーエレクトロニクスモジュール１０のさらなる実施形態を示す。平面状の端子２４’は絶縁材１６から突出していてもよく、絶縁材１６は反対方向で冷却器１２ａ、１２ｂの他のすべての部品を完全に埋め込んでいてもよい。

直列接続のために、そのようなモジュール１０の２つ以上が互いに積み重ねられてもよく、ともにクランプされてもよい。図３のモジュール１０の他の部品は、図１および／または図２に関して説明されたものと等しく設計されてもよい。

図４は、図１に従った２つのパワーエレクトロニクスモジュール１０がクランプなしでともに積み重ねられ得ることを示す。モジュール１０は、（封止部１８によって提供され得る）平面側を有していてもよく、互いに積み重ねられてもよい。モジュール１０の直列接続のために、下方モジュール１０の冷却器１２ｂによって提供され、上部で封止部から出ている端子２４が、上方モジュールの冷却器１２ａによって提供され、底部で封止部から出ている端子２４と相互接続されてもよい。モジュール１０の機械的クランプは必要ない。

図５は、２つのモジュール１０から構成されるハーフブリッジを提供し得る。外部端子２４はその場合、ＤＣ端子である。２つの接続された内部端子２４はその場合、ハーフブリッジのＡＣ端子である。

図５は、冷却器１２ａ、１２ｂ間に中間冷却器１２ｃを含むハーフブリッジモジュール１０’を示す。第１の冷却器１２ａと中間冷却器１２ｃとの間にチップの第１の層３０が配置され、中間冷却器１２ｃと第２の冷却器１２ｂとの間にチップの第２の層３０が配置される。冷却器１２ａ、１２ｂは、以前の図面と同様に設計される。

中間冷却器１２ｃの冷却器１２ａに面する側は、冷却器１２ｂのチップ１４に面する側と同様に設計され、中間冷却器１２ｃの冷却器１２ｂに面する側は、冷却器１２ａのチップ１４に面する側と同様に設計される。

中間冷却器１２ｃの冷却チャネル２２は、冷却器１２ａ、１２ｂの冷却チャネル２２と同様に設計されてもよい。

また、中間冷却器１２ｃは、貫通穴ロッド５２と整列および／または固定されてもよい。

チップの層３０は各々、モジュール１０’に統合されるハーフブリッジの脚を提供する。冷却器１２ａ、１２ｂによって提供される端子２４は、ハーフブリッジのＤＣ端子である。チップ１４の層３０の各々は中間冷却器１２ｃによって並列に接続され、それはまた、ハーフブリッジのＡＣ端子２４’を提供する。

図５の二重構成は、図４と比べてより薄い構造を可能にし得るため、より低いループインダクタンスを有し得る。

図６は、封止部１８の両側に端子２４を有するハーフブリッジモジュール１０’を示す。対称的な接続のために、複数の端子２４がモジュール１０の周囲に位置付けられてもよい。そのような端子２４は、図１〜４の実施形態にも設けられてもよい。端子２４のそのような配置は、端子２４とチップ１４との間のインピーダンスを等しくし得る。

図７は、第２の冷却器１２ｂ、第１の冷却器１２ａより下の（第１の冷却器１２ａの外側の）端子プレート５８、および端子プレート５８と第２の冷却器１２ｂとを相互接続する側方接続プレート６０から構成された端子ケージ５６の内部に、第１の冷却器１２ａ、中間冷却器１２ｃ、およびチップ１４が配置された、ハーフブリッジモジュール１０’を示す。第２の冷却器１２ａに対応する端子２４は、端子プレート５８によって提供される。

図７は、図７の冷却器１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、チップ１４、および端子ケージ５６の斜視図を示す。端子ケージ５８および冷却器１２ａは、高ループインダクタンス減少、およびより等しくなった端子−チップ間インピーダンスを有し得る「同軸」端子構成と見なされ得る。

端子ケージ６０以外は、図７のモジュール１０’は、図５のモジュール１０’と同様に設計されてもよい。チップ１４の層３０を１つだけ有する図１および図２のモジュール１０に、図７および図８に従った端子ケージ５６が設けられることも可能である。

図８では、低誘導並列プレート構成のモジュール１０’にＤＣ＋およびＤＣ−端子２４が入ることがさらに示される。モジュール１０の周囲の複数の垂直プレート６０を通して、（上部の）ＤＣ冷却器１２ｂは（底部の）ＤＣ端子プレート５８に接続される。図８では、モジュール１０’の各側にある２つの垂直プレート６０が、例として示されている。しかしながら、各側に３つ以上のプレート６０が提供されることが可能である。

図９は、図５〜８のハーフブリッジモジュール１０’が防爆ハウジング６２の内部に配置され得ることを示す。ハウジング６２はまた、砂などの爆発緩和材６４で充填されてもよい。端子２４および接続部２６のみが、ハウジング６２の外側まで貫通していてもよい。

図１〜３に関して説明されたようなモジュール１０も、図９に関して説明されたようなさらなるハウジング６２に収容され得る、ということが理解されるべきである。

図１０は、キャパシタ６８とハーフブリッジモジュール１０’とを有するコンバータパワーセル６６を示す。モジュール１０’のうちの１つは、そのハウジング１８なしで図示されている。

ハーフブリッジモジュール１０は、それらの端子２４を用いて、キャパシタ６８の端子７０に直接接続される。外部バスバーは必要ない。キャパシタハウジングの機能性（超過圧力放出、防爆ケーシングなど）を再使用するために、モジュールをキャパシタ６８のハウジングに統合することも可能であってもよい。

図面および前述の説明においてこの発明を詳細に例示し、説明してきたが、そのような例示および説明は限定的ではなく例示的であると考えられるべきであり、この発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態への他の変更は、主張された発明を実践する当業者には、図面、開示、および添付された請求項の調査から理解され、実行され得る。請求項では、「含む」という文言は他の要素またはステップを排除せず、単数は複数を排除しない。単一のプロセッサまたはコントローラ、もしくは他のユニットが、請求項に記載されたいくつかの項目の機能を満たしてもよい。単に、互いに異なる従属請求項にある措置が記載されているだけでは、これらの措置の組合せを有利に使用することはできないということを示さない。請求項におけるどの参照符号も、範囲を限定するとして解釈されるべきでない。

参照符号のリスト

１０ パワーエレクトロニクスモジュール、１２ａ 冷却器、１２ｂ 冷却器、１４ 半導体チップ、１６ 絶縁材、１８ 封止部、２０ 金属体、２２ 冷却チャネル、２４ 端子、２６ 冷却接続部、２８ 表面パターン、３０ チップの層、３２ａ 第１の電極、３２ｂ 第２の電極、３４ キャビティ、３６ ポスト、３８ モリブデンプレート、４０ ゲート電極、４２ ボンドワイヤ、４４ 基板、４６ 金属配線層、４８ ばね接点、５０ ゲート端子、５２ ピン、５４ ゲート端子ロッド、５５ ゲートコントローラ、２４’ 平面状の端子、１０’ ハーフブリッジモジュール、１２ｃ 中間冷却器、２４” ＡＣ端子、５６ 端子ケージ、５８ 端子プレート、６０ 接続プレート、６２ 防爆ハウジング、６４ 爆発緩和材、６６ コンバータセル、６８ キャパシタ、７０ 端子。

Claims (15)

1. パワーエレクトロニクスモジュール（１０）であって、
   冷却液を受けるための冷却チャネル（２２）を含む第１の液体冷却器（１２ａ）を含み、前記第１の液体冷却器（１２ａ）は、前記パワーエレクトロニクスモジュール（１０）の第１の端子（２４）を提供する金属体（２０）を含み、前記パワーエレクトロニクスモジュールはさらに、
   冷却液を受けるための冷却チャネル（２２）を含む第２の液体冷却器（１２ｂ）を含み、前記第２の液体冷却器（１２ｂ）は、前記パワーエレクトロニクスモジュール（１０）の第２の端子（２４）を提供する金属体（２０）を含み、前記パワーエレクトロニクスモジュールはさらに、
   前記第１の液体冷却器（１２ａ）と前記第２の液体冷却器（１２ｂ）との間に配置された複数の半導体チップ（１４）を含み、各半導体チップ（１４）の第１の電極（３２ａ）が前記第１の液体冷却器（１２ａ）に接合されるようになっており、前記第１の電極（３２ａ）は前記第１の液体冷却器（１２ａ）と電気的に接触し、各半導体チップ（１４）の対向する第２の電極（３２ｂ）は前記第２の液体冷却器（１２ｂ）と電気的に接触するようになっており、前記パワーエレクトロニクスモジュールはさらに、
   前記第１の液体冷却器（１２ａ）、前記第２の液体冷却器（１２ｂ）、および前記複数の半導体チップ（１４）を絶縁材（１６）内に成形することによって形成された絶縁封止部（１８）を含み、前記第１の液体冷却器（１２ａ）、前記第２の液体冷却器（１２ｂ）、および前記複数の半導体チップ（１４）は、前記絶縁材（１６）上に少なくとも部分的に埋め込まれるようになっている、パワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
2. 前記第１の冷却器（１２ａ）および前記第２の冷却器（１２ｂ）は、前記端子（３４）および冷却液接続部（２６）のみが前記絶縁材（１６）から突出するように前記絶縁材（１６）内に埋め込まれ、および／または、
   前記複数の半導体チップ（１４）は前記絶縁材（１６）内に完全に埋め込まれる、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
3. 前記第１の冷却器（１２ａ）は、前記半導体チップ（１４）が接合されるキャビティ（３４）を含む、請求項１または２に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
4. 半導体チップ（１４）は、前記第２の液体冷却器（１２ｂ）から突出するポスト（３６）に接合され、および／または、
   前記ポスト（３６）のうちの少なくとも１つは前記第２の液体冷却器（１２ｂ）の前記金属体（２０）の一部であり、または、前記ポスト（３６）のうちの少なくとも１つは前記第２の液体冷却器（１２ｂ）に接合される、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
5. 前記半導体チップ（１４）は、ワイドバンドギャップ半導体装置を担持する、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
6. 前記第１の液体冷却器（１２ａ）および前記第２の液体冷却器（１２ｂ）は、少なくとも１つの貫通穴ピン（５２）と整列される、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
7. 前記パワーエレクトロニクスモジュール（１０）を等しく設計されたパワーエレクトロニクスモジュールと直列接続するために、前記パワーエレクトロニクスモジュールが前記等しく設計されたパワーエレクトロニクスモジュールと積み重ねられ得るように、前記第１の液体冷却器（１２ａ）の前記金属体（２０）は、前記絶縁材（１６）から突出する平面状の第１の端子（２４’）を提供し、前記第２の液体冷却器（１２ｂ）の前記金属体（２０）は、前記絶縁材（１６）から反対方向に突出する平面状の第２の端子（２４’）を提供する、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
8. ゲート電極（４０）を有する半導体チップ（１４）のそばに、金属配線層（４６）を含む基板（４４）が、前記金属配線層（４６）が前記第１の液体冷却器（１２ａ）から電気的に分離され、前記ゲート電極（４０）がワイヤボンド（４２）を用いて前記金属配線層（４６）に接続されるように、前記第１の液体冷却器（１２ａ）に取付けられる、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
9. ゲート端子（５０）に電気的に接続されたばね（４８）が、前記第２の液体冷却器（１２ｂ）に電気的に絶縁されて取付けられ、前記金属配線層（４６）に押し付けられ、または、
   ゲート端子ロッド（５４）が、前記金属配線層（４６）に電気的に接触するように前記第２の液体冷却器（１２ｂ）を通って誘導され、および／または、前記ゲート端子ロッド（５４）に接続されたゲートコントローラ（５５）が、前記封止部（１８）上に位置付けられる、請求項８に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
10. 前記第１の液体冷却器（１２ａ）および／または前記第２の液体冷却器（１２ｂ）は、前記パワーエレクトロニクスモジュール（１０）から両側で突出する２つ以上の端子（２４）を提供する、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
11. 前記第１の液体冷却器（１２ａ）および前記半導体チップ（１４）は、前記第２の液体冷却器（１２ｂ）と、前記第１の液体冷却器（１２ａ）および前記第２の液体冷却器（１２ｂ）に平行に配置された端子プレート（５８）とから形成された端子ケージ（５６）の内部に配置され、
    前記第２の液体冷却器（１２ｂ）と前記端子プレート（５８）とは、側方接続プレート（６０）を介して相互接続される、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
12. 前記パワーエレクトロニクスモジュール（１０）の前記液体冷却器（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）のうちの少なくとも１つは、銅、アルミニウム、ＡｌＳｉＣ、モリブデン、および／またはこれらの材料の合金から作られる、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
13. 前記絶縁材（１６）に埋め込まれた前記液体冷却器（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）および前記半導体チップ（１４）を収容するハウジング（６２）をさらに含み、
    前記ハウジング（６２）は、前記液体冷却器および前記半導体チップを包囲する爆発緩和材（６４）で充填される、前述の請求項のいずれか１項に記載のパワーエレクトロニクスモジュール（１０）。
14. 前述の請求項のいずれか１項に記載のハーフブリッジ・パワーエレクトロニクスモジュール（１０’）であって、
    第１のＤＣ端子（２４）を提供する前記第１の液体冷却器（１２ａ）と、
    第２のＤＣ端子（２４）を提供する前記第２の液体冷却器（１２ｂ）と、
    冷却液を受けるための冷却チャネル（２２）を含む中間液体冷却器（１２ｃ）とを含み、前記中間液体冷却器（１２ｃ）は、前記パワーエレクトロニクスモジュールのＡＣ端子（２４”）を提供する金属体（２０）を含み、前記ハーフブリッジ・パワーエレクトロニクスモジュールはさらに、
    前記第１の液体冷却器（１２ａ）に接合され、導電性ポスト（３６）を介して前記中間液体冷却器（１２ｃ）と電気的に接触している、半導体チップ（１４）の第１の層（３０）と、
    前記中間液体冷却器（１２ｃ）に接合され、導電性ポスト（３６）を介して前記第２の液体冷却器（１２ｂ）と電気的に接触している、半導体チップ（１４）の第２の層（３０）とを含む、ハーフブリッジ・パワーエレクトロニクスモジュール（１０’）。
15. 少なくとも１つのキャパシタ（６８）と、
    前記キャパシタに搭載された、前述の請求項のいずれか１項に記載の少なくとも１つのパワーエレクトロニクスモジュール（１０’）とを含む、電気コンバータ（６６）用のパワーセル。

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