JP2020515042A - 電子モジュールおよび方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、少なくとも１つの電気的／電子的な構成部材（７）と、該構成部材（７）を少なくとも部分的に取り囲むケーシング（８）とを備えた電子モジュール（６）、特にパワーモジュールであって、ケーシング（８）は、セメント複合材（１）から製造されており、該セメント複合材（１）がセメント（１８）と、少なくとも１つの粒状の充填材（２）とを有している。粒状の充填材（２）は、窒化アルミニウム粒子（３）を有しており、該窒化アルミニウム粒子（３）が酸化アルミニウム（４）のみから成るそれぞれ１つのコーティングを有していることが規定されている。
Description
本発明は、電子モジュール、特にパワーモジュールであって、少なくとも１つの電気的／電子的な構成部材と、この構成部材を少なくとも部分的に取り囲むケーシングとを備えており、ケーシングはセメント複合材から製造されており、セメント複合材は、セメントと、少なくとも一種の粒状の充填材とを有している、電子モジュールに関する。
さらに本発明は、このような電子モジュールを製造する方法に関する。
先行技術
冒頭で述べた種類の電子モジュールは、先行技術から公知である。欧州特許出願公開第２９５８１３９号明細書は、少なくとも１つの半導体構成部材を備える半導体モジュールを記載している。この半導体構成部材は、セメントから成る被覆材料により覆われている。この場合、被覆材料は、窒化アルミニウム粒子または酸化アルミニウム粒子の形の充填材を有しており、これによりセメント複合材を形成する。米国特許出願公開第２００４／０１０５９８０号明細書は、粒子コアと、この粒子コアを被覆する多数のコーティングとを有し得る粒子を記載している。
冒頭で述べた種類の電子モジュールは、先行技術から公知である。欧州特許出願公開第２９５８１３９号明細書は、少なくとも１つの半導体構成部材を備える半導体モジュールを記載している。この半導体構成部材は、セメントから成る被覆材料により覆われている。この場合、被覆材料は、窒化アルミニウム粒子または酸化アルミニウム粒子の形の充填材を有しており、これによりセメント複合材を形成する。米国特許出願公開第２００４／０１０５９８０号明細書は、粒子コアと、この粒子コアを被覆する多数のコーティングとを有し得る粒子を記載している。
発明の開示
本発明によれば、粒状の充填材が窒化アルミニウム粒子を有している。この窒化アルミニウム粒子は、酸化アルミニウムのみから成るそれぞれ１つのコーティングを有している。これにより、窒化アルミニウム粒子がセメント内に保護されて配置可能／統合可能であり、これにより窒化アルミニウム粒子の熱伝導性（窒化アルミニウムの熱伝導性：１８０Ｗ／ｍＫ）が、セメント複合材の熱伝導性を向上させるために使用可能であるという利点が得られる。この場合、「保護されて」とは、窒化アルミニウムが酸化アルミニウムによるコーティングに基づいてセメントと反応せず、この場合に溶解または分解しないことを意味している。セメント複合材の向上させられた熱伝導性は、特に効果的な熱伝導を保証する。特にセメント複合材から成るケーシングにより取り囲まれている構成部材、たとえばトランジスタの温度が運転中にたとえば切換工程の損失出力に基づいて上昇すると、この場合に発生した熱は迅速かつ確実に構成部材からセメント複合材へと導出される。
本発明によれば、粒状の充填材が窒化アルミニウム粒子を有している。この窒化アルミニウム粒子は、酸化アルミニウムのみから成るそれぞれ１つのコーティングを有している。これにより、窒化アルミニウム粒子がセメント内に保護されて配置可能／統合可能であり、これにより窒化アルミニウム粒子の熱伝導性（窒化アルミニウムの熱伝導性：１８０Ｗ／ｍＫ）が、セメント複合材の熱伝導性を向上させるために使用可能であるという利点が得られる。この場合、「保護されて」とは、窒化アルミニウムが酸化アルミニウムによるコーティングに基づいてセメントと反応せず、この場合に溶解または分解しないことを意味している。セメント複合材の向上させられた熱伝導性は、特に効果的な熱伝導を保証する。特にセメント複合材から成るケーシングにより取り囲まれている構成部材、たとえばトランジスタの温度が運転中にたとえば切換工程の損失出力に基づいて上昇すると、この場合に発生した熱は迅速かつ確実に構成部材からセメント複合材へと導出される。
本発明の有利な態様によれば、充填材はセメント複合材内に均一に分配されていることが規定されている。この場合の利点は、セメント複合材内のあらゆる箇所で熱伝導性が均一であることである。このことは、構成部材からセメント複合材内への最適な熱伝導を保障する。これにより特に、セメント複合材における領域が充填材を有していないか、または小さな割合の充填材しか有しておらず、これにより構成部材が低すぎる熱伝導、ひいては高い熱発生に基づいて損傷されることが阻止される。
特に好適には、充填材が顆粒または粉末であることが規定されている。この場合の利点は、充填材が簡単な形式でセメント内に導入可能かつこのセメントに混合可能であることである。さらに、これによりセメント内に導入されるべき充填材の量が簡単な形式で特定可能もしくは調量供給可能である。このことは、セメント内における充填材の正確な調量可能性を保証する。好適には、充填材、特に窒化アルミニウム粒子は、少なくともほぼ球形を有している。さらに好適には、充填材が中空室なしに形成されており、これにより特にセメントと危険な形式で反応することがあるガスの影響を阻止することができることが規定されている。好適には、窒化アルミニウム粒子自体または付加的に酸化アルミニウムから成るコーティングを備える窒化アルミニウム粒子の直径は、少なくとも０．１μｍであり、最大で５００μｍである。酸化アルミニウムから成るコーティングの層厚さは、好適には少なくとも１ｎｍであり、最大で１００ｎｍである。択一的には、充填材は懸濁液として存在している。
好適には、セメントもしくはセメント複合材の基材は、無機材料から製造されている。この場合の利点は、セメントもしくはセメント複合材の基材が廉価かつ簡単な形式で製造可能であることである。無機材料は好適にはセメント、たとえばアルミナセメント、セメントリン酸セメントまたはポルトランドである。好適にはセメントまたはセメント複合材の基材は、付加的に少なくとも１つの無機添加材、たとえば砂または石を有している。
本発明の好適な態様では、少なくとも１つの別の充填材、特に窒化セラミックス粒子または炭化ケイ素粒子がセメント複合材内に導入されていることが規定されている。この場合の利点は、セメント複合材の熱的かつ／または物理的な特性が意図的に調節可能もしくは構成可能であることである。物理的な特性は、窒化セラミックス粒子たとえば窒化ホウ素または窒化ケイ素により構成可能である特に熱的な伝導性もしくは熱伝導性である。別の特性は、たとえばセメント複合材の硬さ、特に炭化ケイ素粒子の導入により調節可能である圧力耐性である。好適には、別の充填材が同様に酸化アルミニウムから成るコーティングを有している。
好適には、ケーシングに少なくとも１つの冷却体が対応して配置されている。この場合の利点は、冷却体により構成部材の運転時に構成部材の過熱が阻止されるので、構成部材の安定的な運転が保証されていることである。冷却体は、構成部材の運転時に発生する熱を好適には熱伝達（伝導）および／または対流により周辺媒体、たとえば空気または水に放出する。択一的または付加的には、冷却体は発生する熱を熱放射により周辺媒体に放出する。好適には、冷却体は高い熱伝導性を有する材料、たとえば銅を有している。冷却体が熱を効果的に放出もしくは導出することができるように、冷却体は好適には冷却リブを有している。これらの冷却リブは、冷却体の熱放出もしくは熱導出する表面積を増大させ、このことは周辺媒体への熱の放出を改善する。好適には、構成部材は基板、たとえばセラミックス基板上に配置されている。冷却体は好適には、基板の、構成部材とは反対の側に配置されており、特に接合材料、たとえば金属製の軟ろう材料またはポリマ製のＴＩＭ材料により基板に結合されている。
特に好適には、冷却体は、冷却材通路として形成されていて、その長手方向の延在長さにおいて部分的にセメント複合材により完全に取り囲まれているように、セメント複合材を通って延びている。この場合の利点は、冷却材通路が、セメント複合材を貫通しているその延在長さもしくはセメント複合材内への統合に基づいて、特に効果的に熱を受け取り、したがって電子モジュールが有利に冷却されることである。好適には、冷却材通路は、セメント複合材内への統合により形状結合式かつ／または材料結合式にセメント複合材に結合されている。好適には、冷却材通路は、銅管であり、この銅管は冷却液たとえば水または冷却ガスたとえば空気により通流されるか、もしくは通流可能である。冷却材通路が単に部分的にセメント複合材により完全に取り囲まれていることにより、セメント複合材により取り囲まれていない領域は特に周辺媒体に対応している。このことは、冷却材通路が周辺媒体により冷却可能であり、これにより構成部材から周辺媒体への熱放出が付加的に改善することを保証する。択一的には、冷却材通路が完全にセメント複合材内に配置されていることが規定されている。好適には、電子モジュールが複数の冷却体、たとえば基板に結合された冷却体およびセメント複合材内に統合された冷却材通路を有していることが規定されている。好適には、冷却材通路は、メアンダ状に形成されている。冷却材通路は、択一的または付加的には構成部材の運転時に発生する熱を好適には相転移により周辺媒体に放出する。
電子モジュール、特にパワーモジュールを製造するための本発明に係る方法は、請求項８に記載の特徴により優れている。既に挙げられた利点が生じる。別の利点および好適な特徴は、特に上述の説明ならびに請求項から判る。流動性のセメント複合材材料を製造するために、好適には基材、添加材および／または充填材がまず互いに混合され、かつ次いで水と混合される。択一的または付加的には、特に充填材が、基材および／または少なくとも１つの添加材とから成る流動性のセメント材料の製造後に、このセメント材料に加えられる。
好適には、請求項９に記載の特徴により、ケーシングに少なくとも１つの冷却体を対応配置させることが規定されている。既に挙げられた利点が生じる。別の利点および好適な特徴は、特に上述の説明ならびに請求項から判る。好適には、構成部材を取り囲むようにセメント複合材を流し込むときに、冷却体もセメント複合材により取り囲まれる。このことは、セメント複合材と冷却体もしくは冷却材通路との形状結合式および／または素材結合式、ひいては安定的な結合を保証する。
好適には、請求項１０に記載の特徴により、窒化アルミニウム粒子に酸化アルミニウムのみから成るコーティングを有するように、窒化アルミニウム粒子を酸化することが規定されている。これにより、窒化アルミニウム粒子にコーティングを有するように、特に簡単かつ廉価な工程が生じる。好適には、窒化アルミニウム粒子は１２００℃の温度で酸化させられる。
特に好適には、請求項１１に記載の特徴によれば、窒化アルミニウム粒子に酸化アルミニウムのみから成るコーティングを有するように、酸化アルミニウムが堆積プロセスにより窒化アルミニウム粒子に被着させられることが規定されている。この場合の利点は、これにより予め設定可能な層厚さの酸化アルミニウムを窒化アルミニウム粒子上に被着可能であることである。堆積プロセスとは、特にコーティングプロセスを意味する。たとえば、堆積プロセスは、化学気相蒸着または物理的なコーティング法である。堆積プロセスには、たとえば電子ビーム蒸発法のような蒸発法がある。
以下に本発明を図面につき詳しく説明する。
図１は、概略図でセメント複合材１を示している。このセメント複合材１は、セメント１８と、粒状の充填材２とを有している。粒状の充填材２は、窒化アルミニウム粒子３を有している。これらの窒化アルミニウム粒子３は、それぞれ酸化アルミニウム４のみから成るコーティングを有している。窒化アルミニウム粒子３は、好適には球形であり、中空室なしに形成されている。窒化アルミニウム粒子３、または酸化アルミニウム４から成るコーティングを有する窒化アルミニウム粒子３の直径は、好適には少なくとも０．１μｍであり、最大で５００μｍである。酸化アルミニウム４は、好適には少なくとも１ｎｍ、最大で１００ｎｍの層厚さを有している。
酸化アルミニウム４によるコーティングは、窒化アルミニウム粒子３が、セメント１８内で分解し、溶解することを阻止する。このことは、窒化アルミニウムの熱的な特性、特に１８０Ｗ／ｍＫの高い熱伝導性を、有利にはセメント複合材１の熱伝導性のために使用することができることを保証する。
好適には、充填材２は、セメント１８内に均一に分配されている。このことは、特にセメント複合材１による均一な熱伝達を保証する。
好適には、少なくとも１つの別の充填材５、特に窒化セラミックス粒子またはＳｉＣ粒子がセメント複合材１内に導入されている。窒化セラミックス粒子は、たとえば窒化ホウ素（ＢＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）である。
図２は、少なくとも１つの電気的／電子的な構成部材７、たとえばトランジスタまたはインダクタ、たとえばトランスフォーマまたはコイルと、この構成部材７を少なくとも部分的に取り囲むケーシング８を備える電子モジュール６、特にパワーモジュールを示している。ケーシング８は、セメント複合材１から製造されている。構成部材７は、好適には導電性の材料９、たとえば銅、銀またはアルミニウムにより、一方では電気的な接触接続部１０、たとえば金属製のワイヤに、他方では基板１１、たとえばセラミックス基板に接続されている。導電性の材料９と基板１１とは、好適にはＤＣＢ（Direct Copper Bonding）またはＡＭＧ（Active Metal Brazing）により互いに接続されている。ケーシング８には、少なくとも１つの冷却体１２，１３が対応配置されている。この冷却体１２は、好適には銅体であり、基板１１に特に接合材料１４により接続されている。接合材料は、たとえば金属製の軟ろう材料またはポリマＴＩＭ材料である。
冷却体１３は、好適には冷却材通路１５として形成されており、その長手方向の延在長さにおいて部分的にセメント複合材１により完全に取り囲まれているように、セメント複合材１を通って延びている。冷却材通路１５は、好適にはメアンダ状に形成されている。メアンダ形状を可視化するために、区分１６は紙平面から突出し、区分１７は紙平面内に突入していることを言及しておく。好適には、冷却材通路１３は、銅管であり、この銅管は、冷却液、たとえば水または冷却ガス、たとえば空気により通流される。
特に有利に熱を伝達するセメント複合材１により、構成部材７の運転時に発生する熱を効果的に冷却体１２，１３内に伝達することができる。これにより、構成部材７の使用温度を、２００℃を越える温度にまで上昇させることができる。冷却体１２，１３の使用は、構成部材７にとって冷却体１２による冷却だけではなく、冷却体１３による冷却をも可能にすることを保証する。
セメント複合材１内に統合された冷却材通路１５により、新規の設計可能性および区分化可能性が、基板１１に接続された冷却体１２とは無関係に生じるので、冷却体１２による冷却を省略することができる。したがって好適には、冷却材通路１５が単独の冷却体１３として設けられていることが規定されている。
図３は、実施例による電子モジュール６、特にパワーモジュールを製造する方法の実施のためのフローチャートを示している。
第１のステップＳ１では、少なくとも１つの電気的／電子的な構成部材７が準備される。この構成部材７は、たとえばトランジスタ、チョークコイル、トランスフォーマまたはその他のパワーモジュールである。
第２のステップＳ２では、セメント１８もしくはセメント複合材１の基材が準備される。好適には、セメント１８もしくはセメント複合材１の基材は無機材料から製造されている。無機材料は、好適にはセメント、たとえばアルミナセメント、ポルトランドセメントまたはリン酸セメントである。別の無機材料、特にセメント１８もしくはセメント複合材１の基材が有する添加材は、たとえばセラミックス、石、砂および／または鉱物である。
第３のステップＳ３では、窒化アルミニウム粒子３が準備される。この場合、窒化アルミニウム粒子３は、顆粒または粉末として存在しており、好適には少なくとも０．１μｍ〜５００μｍの直径を有している。択一的または付加的には、充填材２が懸濁液として存在していることが規定されている。
第４のステップＳ４では、窒化アルミニウム粒子３がそれぞれ酸化アルミニウム４のみから成るコーティングが備えられる。酸化アルミニウム４を備えることは、好適には窒化アルミニウム粒子３の空気における熱酸化により好適には１２００℃の温度で行われる。択一的または付加的には、堆積プロセスもしくはコーティング法により窒化アルミニウム粒子３に酸化アルミニウム４をコーティングすることが規定されている。これにより、一方では酸化アルミニウム４を、好適には１ｎｍ〜１００ｎｍである予め設定可能な層厚さで窒化アルミニウム粒子３に被着させることが可能である。他方では、これにより別の材料、たとえば酸化ケイ素を有する第２のコーティングを窒化アルミニウム粒子３に被着させることが可能である。適切な堆積プロセスは、特に化学的かつ／または物理的な堆積プロセスであり、たとえば化学的または物理的な気相蒸着である。
第５のステップＳ５では、酸化アルミニウム４のみから成るコーティングを備えた窒化アルミニウム粒子３をセメント複合材１内に導入する。窒化アルミニウム粒子３もしくは充填材２は、好適にはまだ乾燥しているセメント１８、特に基材に混合される。択一的または付加的には、充填材２は、基材および／または少なくとも１つの添加材から成る流動性のセメント材料に混合される。流動性のセメント複合材材料を製造するために、好適には、基材、添加材および／または充填材２がまず互いに混合され、次いで水と混合される。好適には、セメント１８内への窒化アルミニウム粒子３のモノモーダルの混合または窒化アルミニウム粒子３のマルチモーダルの混合が規定されている。好適には、バイモーダルまたはトリモーダルの混合が行われる。択一的または付加的には、少なくとも１つの冷却体１２，１３がケーシング８に対応配置されることが規定されている。これにより、冷却体１２，１３は、構成部材７と一緒に、セメント複合材１の流し込みによりセメント複合材１内に位置している。このことは、冷却体１２，１３が材料結合式にセメント複合材１に結合されていることを保証する。このことは、セメント複合材１内における冷却体１２，１３の安定的な配置、ひいては構成部材７からセメント複合材１を通じて冷却体１２，１３への特に有利な熱伝達を保証する。
第６のステップＳ６において、構成部材７と、電子モジュール５の好適には別の構成要素、特に電気的な接触接続部１０および／または基板１１が、少なくとも部分的にセメント複合材１により取り囲まれるように、セメント複合材１が流し込まれる。これにより、構成部材７を少なくとも部分的に取り囲むケーシング８を製造することができる。構成部材７を取り囲むように流し込んだ後に、流動性の、特に液状のセメント複合材材料は固まり、乾燥する。構成部材７を取り囲むよう流し込むために、好適には構成部材７はここでは図示しない流し込み型により取り囲まれている。この流し込み型は、流動性のセメント複合材材料により充填される。流動性のセメント複合材材料の固化および乾燥後に、乾燥したセメント複合材材料もしくはセメント複合材１から流し込み型が取り除かれる。
Claims (11)
- 少なくとも１つの電気的／電子的な構成部材（７）と、該構成部材（７）を少なくとも部分的に取り囲むケーシング（８）とを備え、前記ケーシング（８）は、セメント（１８）および少なくとも１つの粒状の充填材（２）を有するセメント複合材（１）から製造されている、電子モジュール（６）、特にパワーモジュールであって、
前記粒状の充填材（２）は、窒化アルミニウム粒子（３）を有しており、該窒化アルミニウム粒子（３）は、酸化アルミニウム（４）のみから成るそれぞれ１つのコーティングを有していることを特徴とする、電子モジュール。 - 前記充填材（２）は、前記セメント複合材（１）内に均一に分配されている、請求項１記載の電子モジュール。
- 前記充填材（２）は、顆粒または粉末である、請求項１または２記載の電子モジュール。
- 前記セメント（１８）は、無機材料から製造されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電子モジュール。
- 少なくとも１つの別の充填材（５）、特に窒化セラミックス粒子またはＳｉＣ粒子が前記セメント複合材（１）内に導入されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電子モジュール。
- 前記ケーシング（８）に少なくとも１つの冷却体（１２，１３）が対応して配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の電子モジュール。
- 前記冷却体（１３）は、冷却材通路（１５）として形成されており、該冷却材通路（１５）は、その長手方向の延在長さにおいて部分的に前記セメント複合材（１）により完全に取り囲まれているように、前記セメント複合材（１）を通って延びている、請求項６記載の電子モジュール。
- 電子モジュール（６）、特にパワーモジュールを製造する方法であって、
少なくとも１つの電気的／電子的な構成部材（７）を準備するステップと、
セメント（１８）を準備するステップと、
窒化アルミニウム粒子（３）を準備するステップと、
各窒化アルミニウム粒子（３）に酸化アルミニウム（４）のみから成るコーティングを備えるステップと、
酸化アルミニウム（４）のみから成るコーティングを備えた前記窒化アルミニウム粒子（３）を前記セメント（１８）内に導入しセメント複合材（１）を製造するステップと、
前記電気的／電子的な構成部材（７）を前記セメント複合材（１）により少なくとも部分的に取り囲むように前記セメント複合材（１）流し込んでケーシング（１０）を製造するステップと、
を有する、電子モジュール（６）を製造する方法。 - 前記ケーシング（８）に少なくとも１つの冷却体（１２，１３）を対応配置させる、請求項８記載の方法。
- 前記窒化アルミニウム粒子（３）に、酸化アルミニウム（４）のみから成るコーティングを有するように、前記窒化アルミニウム粒子（３）を酸化させる、請求項８または９記載の方法。
- 前記窒化アルミニウム粒子（３）に、酸化アルミニウム（４）のみから成るコーティングを有するように、該酸化アルミニウム（４）を堆積プロセスにより前記窒化アルミニウム粒子（３）に被着させる、請求項８または９記載の方法。
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