JP2022541324A - パワー半導体モジュールおよび冷却器からなる構成 - Google Patents

パワー半導体モジュールおよび冷却器からなる構成 Download PDF

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Abstract

本発明は、パワー半導体モジュール（１０）に冷却器（１２）を提供する方法に関し、冷却構造（３２）が、基板（１４）またはベースプレート（１５）の平坦な表面に溶接される。本発明はさらに、そのような方法に従って形成されるパワー半導体モジュール（１０）の構成に関する。

Description

技術分野
本発明は、パワー半導体モジュールおよび冷却器からなる構成に関する。本発明は、特に、冷却器への改善された接続および冷却器の改善された構成を有するパワー半導体モジュールに関する。本発明はさらに、その形成方法に関する。
背景技術
パワー半導体モジュールは、種々の用途において当該技術分野で周知である。一例として、基板上にはんだ付けされた電気回路をハウジング内に位置付け、ハウジング内に充填された樹脂内に電気回路を封入することが知られている。
しかしながら、トランスファー成形され、特に焼結されたパワーモジュールは、パワーモジュールのサイクル信頼性が向上したため、従来の手法に対する興味深い代替手段となってきている。それにもかかわらず、これは、共通のベースプレートまたは冷却器上に３つの相を含むなど、電気回路の組み込みの複雑さをより増大させる。基板は、後続の基板はんだ付けに進むときにワイヤボンドを用いて完全に組み付けることができるが、焼結アプローチは基板に対する強い圧力を必要とするため、焼結のための基板は、焼結前にワイヤボンディングして試験することができないか、またはほとんどできない。圧力は、典型的には、ワイヤボンディングを破壊するゴムスタンプを用いて機械的に加えられる。
このため、例えば６パックモジュールをワンステップで焼結することは、経済的に非常に危険である。３つの異なるトランスファー成形され、焼結されたハーフブリッジモジュールによって行われる６パック構成に進むことが好ましい場合がある。
しかしながら、トランスファー成形されたモジュールを使用する場合に考慮すべき種々の問題がある。
例えば、Ｏリングを使用することによる組み込みは、Ｏリングの経年劣化などに起因する信頼性の理由から改善の余地がある。ねじの使用は、組み立てラインのための保管および部品番号を必要とする。さらに、この解決策は、ハーフブリッジモジュールのための４つのねじなどのねじの量に起因して、Ｏリングキャビティおよびねじのための空間を必要とする。
電気回路の組み込みに使用される方法または技術は、パワーモジュールを損傷してはならないことが重要である。特に、成形コンパウンドを損傷しないために、温度は２２５°Ｃを超えないことが好ましい場合がある。さらに、機械的応力が回避されるべきである。
溶接技術による組み込みが、漏れを引き起こす小さな亀裂および細孔を生成することをさらに回避すべきである。
それとは別に、流体ベースの冷却器の流体エンクロージャは堅牢で漏れがない必要があり、同時に、設計は省スペースで安価でなければならない。
欧州特許出願公開第３ ２７６ ６５７号は、冷却器を有するパワー半導体モジュール構成を記載しており、冷却器は、冷却器本体と、冷却器本体内に形成されたキャビティと、ボンディングワイヤとを有する。ボンディングワイヤは、キャビティ内部に配置され、冷却器本体の第１の表面に直接接合される。ボンディングワイヤは、少なくとも９５重量％のアルミニウムと、少なくとも０．２５重量％のケイ素と、少なくとも０．０５重量％のマグネシウムおよび少なくとも０．０５％重量のマンガンのうちの少なくとも１つとを含む。
米国特許出願公開第２０１４／０３２７１２７号は、パワーモジュールであって、半導体チップと、導電性シート、および、導電性シートに直接取り付けられており、半導体チップに熱的に結合されている電気絶縁体シートを備える接合基板と、導電性シートに直接取り付けられており、冷却流体と相互作用するときに半導体チップから熱を除去するように構成されている冷却構造のアレイとを備える、パワーモジュールを記載している。
米国特許出願公開第２０１３／０２８５２３４号は、パワーモジュールであって、対向する第１の金属化面および第２の金属化面を有する電気絶縁部材を有する基板と、基板の第１の金属化面に取り付けられた１つ以上の半導体ダイとを含む、パワーモジュールを記載している。複数の熱伝導性構造が、互いに横方向に離間されており、複数の熱伝導性構造が第２の金属化面から外側に延在するように、基板の第２の金属化面に直接個別に取り付けられる。
米国特許出願公開第２０１７／０３０４９２２号は、金属化された第１の面と、金属化された第１の面に対向する金属化された第２の面とを有する基板を含む半導体モジュールを記載している。半導体ダイが、基板の金属化された第１の面に取り付けられる。複数の冷却構造が、基板の金属化された第２の面に溶接される。冷却構造の各々は、基板から外方に延在する積層構成において配置されている複数の別個の溶接ビードを含む。基板は、導電性または絶縁性であり得る。そのような半導体モジュールおよびそのような溶接冷却構造を有する基板を製造する対応する方法も提供される。
中国実用新案登録第２０７１６５５５０号は、液体冷却を有するモジュールを提供する。
中国実用新案登録第２０３７２２９９２号は、埋め込みマルチチャネル放熱モジュール構成要素を開示している。
米国特許第９，５７８，７８９号は、基板と、基板の下に配置されている二部品冷却システムとを含むパワー半導体モジュールを記載している。冷却システムは、上側ピースおよび下側ピースを有する。上側ピースは、冷却液のための流路を基板と共に形成する。上側ピースは、冷却液を流路に導入することができる第１の流入部と、冷却液を流路から除去することができる流出部とを有する。上側ピースはまた、第１の流入部から長手方向に離間した少なくとも１つの第２の流入部を有する。下側ピースは入口および出口を有し、出口は流出部に接続されており、入口は第１の流入部に接続されている。下側ピースはまた、入口から分岐するチャネルを有し、チャネルは、第２の流入部に接続された少なくとも１つのバイパスチャネルを含み、そのため、冷却液の一部は、バイパスチャネルを通って流路に入る。
国際公開第２０１５／１７６９１４号は、加熱部材、アルミニウム系ＰＣＢ基板およびラジエータが上から下へ順に設けられ、加熱部材およびアルミニウム系ＰＣＢ基板が全体としてスズはんだ媒体を介して溶接され、全体が溶接によってラジエータと共に固定される、ラジエータの溶接プロセス方法を開示している。放熱効果は溶接によって強化され、これにより、加熱部材とアルミニウム系基板との組み合わせをラジエータと組み合わせる方法が変化する。
米国特許出願公開第２００９／２４９６２４号は、以下のステップ、すなわち、ベースおよび複数の個々のフィンを提供するステップと、超音波溶接方法によってフィンをベースに連続的に溶接するステップとを含む、ヒートシンクを作成する方法を記載している。
しかしながら、冷却器を有する三相トランスファー成形モジュールなどのパワー半導体モジュールを提供することは依然として課題である。したがって、従来技術には、この点に関して改善の余地がある。
発明の概要
したがって、本発明の目的は、従来技術の少なくとも１つの欠点を少なくとも部分的に克服するための解決策を提供することである。特に、本発明の目的は、パワー半導体モジュールを効果的な冷却器に単純かつ確実な様式で、信頼可能に接続するための解決策を提供することである。
これらの目的は、独立請求項１の特徴を有する方法によって少なくとも部分的に解決される。これらの目的は、独立請求項１３の特徴を有するパワー半導体モジュールおよび冷却器からなる構成によって少なくとも部分的にさらに解決される。有利な実施形態は、従属請求項、さらなる説明および図面に記載されており、記載された実施形態は、明確に除外されない限り、単独で、またはそれぞれの実施形態の任意の組み合わせにおいて、本発明の特徴を提供することができる。
パワー半導体モジュールに冷却器を提供する方法であって、
ａ）少なくとも１つの電気回路を担持するための第１の基板面を有し、第１の基板面の反対側に位置する第２の基板面を有する基板を備えるパワー半導体モジュールを提供するステップを含み、
パワー半導体モジュールは、特徴ａ１）および特徴ａ２）のうちの一方を含み、
特徴ａ１）によれば、第２の基板面は平坦な表面を有し、冷却器と接触するように適合され、第２の基板面には、接続領域によって囲まれている冷却領域が配置されており、
特徴ａ２）によれば、パワー半導体モジュールは、ベースプレートを備え、ベースプレートは、第１のベースプレート面と、第１のベースプレート面の反対側に位置する第２のベースプレート面とを備え、第２の基板面は、第１のベースプレート面に接続され、第２のベースプレート面は、平坦な表面を有し、冷却器と接触するように適合され、第２のベースプレート面には、接続領域によって囲まれている冷却領域が配置されており、
特徴ａ１）が実現される場合、方法は、
ｂ１）冷却器の第１のケーシング構成要素を接続領域において第２の基板面に接続するステップであって、第１のケーシング構成要素は、任意選択的に、冷却領域を受け入れるための少なくとも１つの開口部を備える、接続するステップと、
ｃ１）冷却領域に冷却流体を供給するための冷却チャネルが第１のケーシング構成要素と第２のケーシング構成要素との間に設けられるように、第２のケーシング構成要素を第１のケーシング構成要素に接続するステップと、
ｄ１）冷却構造を第２の基板面にある冷却領域に溶接するステップと
を含み、
または、特徴ａ２）が実現される場合、方法は、
ｂ２）冷却器の第１のケーシング構成要素を接続領域において第２のベースプレート面に接続するステップであって、第１のケーシング構成要素は、任意選択的に、冷却領域を受け入れるための少なくとも１つの開口部を備える、接続するステップと、
ｃ２）冷却領域に冷却流体を供給するための冷却チャネルが第１のケーシング構成要素と第２のケーシング構成要素との間に設けられるように、第２のケーシング構成要素を第１のケーシング構成要素に接続するステップと、
ｄ２）冷却構造を第２のベースプレート面にある冷却領域に溶接するステップと
を含む、方法が説明される。
そのような方法は、特にパワー半導体モジュールに冷却器を提供することに関して、引用された従来技術を超える大きな利点を提供することができる。特に、説明される方法は、インバータを形成するのに役立ち得る。
さらに、上述した各ステップは、必ずしも厳密に上述した順序に沿って行われる必要はないことに留意すべきである。特に、ステップｄ１）がステップｃ１）の前にまたはステップｃ１）と平行に実行され、ステップｄ２）がステップｃ１）の前またはステップｃ１）と平行に実行されることが好ましい場合がある。
第１の方法ステップａ）によれば、基板と、任意選択的にベースプレートとを備えるパワー半導体モジュールが提供される。基板は、特に、基板メタライゼーション上にパワー半導体デバイスを担持するセラミック基板であってもよい。したがって、パワー半導体デバイスは、例えば、基板メタライゼーションに固定することができ、端子およびそれぞれの相互接続などの他の構成要素と共に電気回路を形成することができる。
パワー半導体モジュールがベースプレートを有するか否かに応じて、パワー半導体は、特徴ａ１）およびａ２）のうちの一方を含み、特徴ａ１）およびａ２）は、下記に詳細に説明される。
特徴ａ１）によれば、第２の基板面は平坦な表面を有する。これは特に、底部メタライゼーションなどの第２の基板面が、特定の冷却構造が設けられていないが、例えば基板のセラミック本体およびそれぞれのメタライゼーションによって形成される表面を有することを意味する。したがって、第２の基板面、したがってそれぞれの表面は、それぞれ基板またはその本体の平面に平行に延伸することができる。
第２の基板面は、冷却器と接触するように適合される。これに関して、第２の基板面には、接続領域によって囲まれた冷却領域が設けられている。したがって、冷却領域は、冷却に関して有効な部分であり、したがって、冷却器によって冷却されるべきであり、特に冷却器を通って案内される冷却流体と接触するべき部分である。しかしながら、接続領域は、基板を冷却器に接続するために設けられており、したがって、この領域が例えば少なくとも完全に冷却流体と接触することは必要ではなく、望ましくない。
特徴ａ２）によれば、したがってベースプレートが存在する場合、ベースプレートは、パワー半導体デバイスの特に効率的な冷却効果を提供するために基板に接続される。
したがって、第１のベースプレート面は基板に、詳細には第２の基板面に接続されているが、第２のベースプレート面は冷却器に接続されるように適合されている。これに関して、第２のベースプレート面には、接続領域によって囲まれた冷却領域が設けられている。したがって、冷却領域は、ベースプレートの有効な部分であり、したがって、冷却器によって冷却されるべきであり、特に冷却器を通って案内される冷却流体と接触するべき部分である。しかしながら、接続領域は、ベースプレートを冷却器に接続するために設けられており、したがって、この領域が例えば少なくとも完全に冷却流体と接触することは必要ではなく、望ましくない。
第２のベースプレート面が平坦な表面を有することがさらに可能にされる。これは特に、第２のベースプレート面が、特定の冷却構造が設けられていないが、例えばベースプレート自体の本体の表面によって形成される表面を有することを意味する。したがって、例えば、第２のベースプレート面、したがってそれぞれの表面は、ベースプレートの本体の平面に平行に、さらに例えば基板に平行に延伸することができる。
パワー半導体モジュールに冷却器を提供するために、特に特徴ａ１）が実現されるか、または特徴ａ２）が実現されるかに応じて、異なる選択肢が生じる可能性がある。しかしながら、一般に、冷却器を提供する方法は、２つの挙げられている選択肢、すなわちベースプレートの有無に応じて実行される。
より詳細には、特徴ａ１）が実現される場合、方法は以下のステップを含む。
方法ステップｂ１）によれば、冷却器の第１のケーシング構成要素が接続領域において第２の基板面に接続され、したがって固定される。これは、好ましくは、下記に記載されるように溶接によって行われる。第１のケーシング構成要素は、例えば、平板から、または容易な取り扱いを可能にする隆起部を有するプレートから形成されてもよい。さらに、溶接などによって第２の基板面を第１のケーシング構成要素と確実に固定するために、少なくとも第２の基板面の接続領域が基板メタライゼーションにおいて実現され得ることが好ましい場合がある。
第１のケーシング構成要素は、冷却領域を受け入れるための少なくとも１つの開口部を備えることができる。言い換えれば、第１のケーシング構成要素が基板に取り付けられる場合、冷却領域は依然として露出することができ、結果、それは、冷却器を通って流れる冷却流体によって冷却することができる。したがって、冷却領域は開口部によって受け入れられる。しかしながら、開口部を設けることは、冷却構造がケーシングから、特に第１のケーシング構成要素から独立して設けられるか、または下記により詳細に説明するようにそれに接続されるかに特に依存し得る。さらに、第１のケーシング構成要素が接続領域に固定されると、冷却領域は、第１のケーシング構成要素、特に開口部の縁部によって囲まれる。
さらに、方法ステップｃ１）によれば、第２のケーシング構成要素が第１のケーシング構成要素に接続され、したがって固定されることが可能にされ、冷却領域に冷却流体を供給するための冷却チャネルが第１のケーシング構成要素と第２のケーシング構成要素との間に形成されることが可能にされる。冷却チャネルは、第１のケーシング構成要素と第２の冷却構成要素との間に存在する自由体積であってもよく、または、それは、画定された経路を通って冷却流体を案内する構造を有してもよい。
方法ステップｄ１）によれば、冷却構造が第２の基板面にある冷却領域に溶接されることがさらに可能にされる。冷却構造は特に限定されず、とりわけタービュレータ、冷却ピンなどを含んでもよい。例えば、冷却構造がタービュレータから形成される場合、それらは、丸い縁部または傾斜した縁部を有する波形に形成されてもよい。波高点および／または波の谷は、平坦であってもよく、丸みを帯びていてもよく、または傾斜していてもよい。寸法は、所望の要件に従って選択することができる。例えば、波高点の距離は、２、５ｍｍ～５ｍｍの範囲内にあってもよく、波の谷から波高点までの高さは、２ｍｍ～１２ｍｍの範囲内にあってもよいが、これらの値は決して限定的ではない。それとは別に、冷却構造がアルミニウムから形成されることが可能にされてもよい。
本実施形態によれば、平坦な冷却領域と比較して、冷却器の冷却効率をさらに向上させることができる。これは、主に、冷却流体の影響によって冷却され得るベースプレートの表面が著しく増大し得るという事実に起因し得る。
冷却構造は、さらなる例として、冷却ピンを使用することによって形成されてもよい。
第１のケーシング構成要素が、冷却構造を受け入れるように適合された開口部を有することが可能にされてもよい。さらに、第１のケーシング構成要素と第２のケーシング構成要素との間の距離は、冷却構造を配置するのに十分な空間があるように選択されるべきである。距離が冷却構造の長さよりも大きい場合、冷却構造の先端と第２のケーシング構成要素との間の隙間内に、熱性能の低下をもたらす流体バイパスが存在する可能性がある。
しかしながら、上記の代替として、ベースプレートが存在し、したがって特徴ａ２）が実現される場合、本方法は、上述のステップｂ１）～ｄ１）に本質的に対応する以下のステップを含む。
方法ステップｂ２）によれば、冷却器の第１のケーシング構成要素が接続領域において第２のベースプレート面に接続され、したがって固定される。これは、好ましくは、下記に記載されるように溶接によって行われる。第１のケーシング構成要素は、例えば、平板から、または容易な取り扱いを可能にする隆起部を備えるプレートから形成されてもよい。さらに、溶接などによって第２のベースプレート面を第１のケーシング構成要素と確実に固定するために、少なくとも第２のベースプレート面の接続領域が金属または金属合金から形成され得ることが好ましい場合がある。
第１のケーシング構成要素は、冷却領域を受け入れるための少なくとも１つの開口部を備えることができる。言い換えれば、第１のケーシング構成要素がベースプレートに取り付けられる場合、冷却領域は依然として露出することができ、結果、それは、冷却器を通って流れる冷却流体によって冷却することができる。ここでも、開口部を設けることは、冷却構造がケーシングから、特に第１のケーシング構成要素から独立して設けられるか、または下記により詳細に説明するようにそれに接続されるかに特に依存し得る。
さらに、方法ステップｃ２）によれば、第２のケーシング構成要素が第１のケーシング構成要素に接続され、したがって固定されることが可能にされ、冷却領域に冷却流体を供給するための冷却チャネルが第１のケーシング構成要素と第２のケーシング構成要素との間に設けられることが可能にされる。冷却チャネルは、第１のケーシング構成要素と第２の冷却構成要素との間に存在する自由体積であってもよく、または、それは、画定された経路を通って冷却流体を案内する構造を有してもよい。
方法ステップｄ２）によれば、冷却構造が第２のベースプレート面にある冷却領域に溶接されることがさらに可能にされる。冷却構造は特に限定されず、とりわけタービュレータ、冷却ピンなどを含んでもよい。本実施形態によれば、冷却器の冷却効率をさらに向上させることができる。これは、主に、冷却流体の影響によって冷却され得るベースプレートの表面が著しく増大し得るという事実に起因し得る。
冷却構造は、例えば、冷却ピンを使用することによって、または特徴ｄ１）に関して上述したようなさらなる構造によって形成することができる。
ここでも、第１のケーシング構成要素が、冷却構造を受け入れるように適合された開口部を有することが可能にされてもよい。さらに、第１のケーシング構成要素と第２のケーシング構成要素との間の距離は、冷却構造を配置するのに十分な空間があるように選択されてもよい。距離が冷却構造の長さよりも大きい場合、冷却構造の先端と第２のケーシング構成要素との間の隙間内に、熱性能の低下をもたらす流体バイパスが存在する可能性がある。
したがって、上述の方法は、非常に効果的な方法で、任意選択的にベースプレート、したがってパワー半導体モジュールによって、基板について信頼性が高く効率的な冷却挙動を示すパワー半導体モジュールに冷却器を提供することを可能にする。これは、使用される冷却流体に基づく冷却器を提供することによって、パワー半導体モジュールが非常に効果的に冷却されるような、効率的な冷却挙動を有するという事実に起因する。
それとは別に、溶接ステップに起因して、冷却構造の基板またはベースプレートへの確実な接続が実現され得、これにより、長期的な信頼性の高い構成が保証される。
冷却器を形成するケーシング、したがって第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素に関して、ケーシング構成要素が銅合金またはアルミニウム合金から形成されることが可能にされてもよい。これらの合金は、冷却流体と接触することができるアルミニウム被覆領域を有することができる。ケーシングが冷却流体と接触している場合でも、長期の安定した構成を達成するために、さらなる表面処理は必要とされない。
一般に、ケーシング構成要素が、溶接条件を向上させることができるように同じ材料から形成されることが可能にされてもよい。
一般に、第１のケーシング構成要素は、底板として機能することができ、第２のケーシング構成要素は、それぞれ冷却チャネルを閉じるためのキャップまたは蓋として機能することができる。
これらの利点は、例えば、焼結基板、または、パワー半導体デバイスが焼結される基板にとってそれぞれ好ましい場合がある。実際、焼結手法は、典型的にはワイヤボンディングを破壊することになるゴムスタンプを用いて機械的に加えられる、基板に対する強い圧力を必要とするため、焼結のための基板を焼結前にワイヤボンディングおよび試験することはできない。
溶接プロセスは、パワーモジュールの機能性に影響せず、Ｏリングおよびねじを使用せずに信頼性の高い接続を形成することを可能にする。これにより、高い信頼性および高い温定格を有するコンパクトな解決策が得られる。
特徴ａ１）が実現され、したがって、パワー半導体モジュールのベースプレートが省略され得ることが可能にされてもよい。したがって、本方法が、ステップｂ１）、ｃ１）、およびｄ１）を含むことが可能にされる。
したがって、この実施形態は、ベースプレートを用いずに、パワー半導体モジュール、したがって、パワー半導体モジュールおよび冷却器からなる構成を形成することを可能にする。したがって、この実施形態は、パワーモジュールおよびそれに対応する構成の特に容易でコストを節約する製造プロセスを可能にする。それとは別に、重量を節約することができ、これは、電気駆動車などの移動用途にとって特に重要な利点となり得る。
代替的に、特徴ａ２）が実現され、パワー半導体モジュールのベースプレートが提供され、したがって基板に、ひいてはその第２の面、すなわち第２の基板面に固定されることが可能にされてもよい。したがって、本方法が、ステップｂ２）、ｃ２）、およびｄ２）を含むことが可能にされる。
この実施形態は、冷却器に加えてベースプレートが冷却効果を提供することができるため、特に効果的で信頼性の高い冷却効果を提供することを可能にする。
冷却構造が、第１のケーシング構成要素または第２のケーシング構成要素に溶接されることがさらに可能にされてもよい。この実施形態によれば、冷却構造が基板またはベースプレートに溶接され、したがって固定されるだけでなく、第１のケーシング構成要素または第２のケーシング構成要素に固定することもでき、その結果、機械的安定性が向上し得るため、特に信頼性の高い構成を提供することができる。
それとは別に、冷却チャネル内へと延伸する冷却構造が、特に効果的な冷却効果が実現され得るように、開口部と比較してより大きな空間寸法を有することが実現され得る。
それとは別に、冷却構造の設計および構成は、各々が、第１のケーシング構成要素の開口部のサイズおよび幾何学的形状から独立してそれぞれの要件に従う、異なる冷却構造を使用することが可能であるため、非常に適応的に実現することができる。
したがって、冷却構造は、特に第１のケーシング構成要素から最初に分離される部分であってもよく、したがって、第１のケーシング構成要素は、冷却領域を受け入れ、冷却構造を受け入れるための開口部を備えてもよい。
代替的に、冷却構造が、第１のケーシング構成要素または第２のケーシング構成要素と一体的に設計され、したがって第１のケーシング構成要素または第２のケーシング構成要素の一部であることが可能にされてもよい。この実施形態は、冷却構造を接続するステップが第１のケーシング構成要素または第２のケーシング構成要素を接続することと共に１つのステップにおいて実行され得るため、特に単純な形成プロセスを可能にする。したがって、プロセスステップを省略することができ、これは重大な利点を可能にし得る。それとは別に、ここでも、冷却チャネル内へと延伸する冷却構造が、特に効果的な冷却が実現され得るように、開口部と比較してより大きな空間寸法を有することが実現され得る。
第１のケーシング構成要素の開口部に関して、冷却構造が第２のケーシング構成要素と一体的に設計される場合、第１のケーシング構成要素が、冷却領域を受け入れ、冷却構造を受け入れるための開口部を備えること、および、冷却構造が第１のケーシング構成要素と一体的に設計される場合、第１のケーシング構成要素のそれぞれの開口部が省略されることが可能にされてもよい。
上記を考慮すると、冷却構造と、第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素のうちの少なくとも一方とは、連続構造要素を形成することができる。これは、冷却構造と、第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素のうちの少なくとも一方とをそれぞれ備える１ピース構成要素または一部品構成要素のいずれかを使用することによって実現することができる。代替的に、連続構造要素は、溶接などで接続された２ピース構成要素によって形成されてもよく、冷却構造が、第１のケーシング構成要素または第２のケーシング構成要素に溶接などで接続される。
第１のケーシング構成要素が、溶接によって第２の基板面または第２のベースプレート面に接続されることがさらに好ましい場合がある。この特徴は、高い機械的安定性を有する構成を達成することができるため、特に安全な構成を可能にする。それとは別に、溶接によって、モジュール、したがって特にパワー半導体デバイスへの温度影響が適切な限界未満に保持され、結果、パワー半導体デバイスを損傷する危険性を最小限に抑えることができ、または完全に排除することができることが実現され得る。
同じ理由で、パワーモジュールへの温度の影響が第１のケーシング構成要素の固定と比較して低い場合があっても、第２のケーシング構成要素が溶接によって第１のケーシング構成要素に接続されることが好ましい場合がある。
溶接ステップに関して、冷却構造の溶接、第１のケーシング構成要素の溶接、または第２のケーシング構成要素の溶接のうちの少なくとも１つが、レーザ溶接によって行われることが特に好ましい場合がある。特にレーザ溶接によって、溶接される部品、したがってパワー半導体モジュールへの温度影響を大幅に低減することができる。これは、レーザ溶接を使用するときに生じる温度が２５０°Ｃをはるかに下回る範囲に維持され得るという事実に起因し得る。したがって、パワー半導体デバイスの損傷などの、パワー半導体モジュールの部品の損傷を防止または少なくとも低減することができ、結果、上述のようなモジュールを確実に実現することができる。
ステップａ１）、ｂ１）、ｃ１）、およびｄ１）のすべてが実現される場合、第１のケーシング構成要素が、開口部を完全に取り囲む溶接経路に沿って連続的に第２の基板面の接続領域に溶接されることがさらに好ましい場合がある。この実施形態によれば、溶接経路などの非常に安定した接続経路が実現されるという事実に起因して、非常に信頼性の高い接続を提供することができる。それとは別に、溶接経路が開口部全体を取り囲む場合、基板は第１のケーシング構成要素に対してシールされ、それにより、さらなるシールが必要とされない。したがって、ねじを使用したＯリングの提供を回避することができ、これは、ねじのＯリングおよび貫通孔に溝が必要ないため、信頼性の向上およびまた省スペース化をもたらす可能性がある。
対応して、ステップａ２）、ｂ２）、ｃ２）、およびｄ２）のすべてが実現される場合、第１のケーシング構成要素が、開口部を完全に取り囲む溶接経路に沿って連続的に第２のベースプレート面の接続領域に溶接されることがさらに好ましい場合がある。この実施形態によれば、ここでも、溶接経路などの非常に安定した接続経路が実現されるという事実に起因して、非常に信頼性の高い接続を提供することができる。それとは別に、溶接経路が開口部全体を取り囲む場合、ベースプレートは第１のケーシング構成要素に対してシールされ、それにより、さらなるシールが必要とされない。したがって、ねじを使用したＯリングの提供を回避することができ、これは、ねじのＯリングおよび貫通孔に溝が必要ないため、信頼性の向上およびまた省スペース化をもたらす可能性がある。
ステップｄ１が、ステップｃ１）の前、したがって特にステップｂ１）の後に、もしくはステップｂ１）と並行して行われるか、またはステップｄ２）が、ステップｃ２）の前、したがって特にステップｂ２）の後に、もしくはステップｂ１）と並行して行われることがさらに好ましい場合がある。この実施形態は、冷却能力を所望の要求に合わせて調整することができるように、非常に適応に冷却構造を形成することを可能にする。それとは別に、冷却構造を溶接するなどの、冷却構造を接続するステップを、特に容易に行うことができる。
しかしながら、ステップｄ１）がステップｃ１）と並行して実行され、したがってステップｃ１）と比較して同時に実行されること、またはステップｄ２）がステップｃ２）と並行して実行され、したがってステップｃ２）と比較して同時に実行されることも可能にされてもよい。これは、例えば冷却器の安定性を高めるために、または冷却媒体の流れを改善するために行われてもよい。さらに、ここでも、この実施形態は、冷却能力を所望の要求に合わせて調整することができるように、非常に適応に冷却構造を形成することを可能にする。それとは別に、冷却構造を溶接するなどの、冷却構造を接続するステップを、特に容易に行うことができる。
第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素のうちの少なくとも一方が、流体入口および流体出口のうちの少なくとも一方を備えることがさらに好ましい場合がある。したがって、この実施形態は、第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素からなる構成を流体ベースの冷却器として非常に効率的かつ単純に使用することを可能にする。これに関して、入口および出口が両方とも第１のケーシング構成要素もしくは第２のケーシング構成要素に設けられること、または入口および出口の一方が第１のケーシング構成要素に設けられ、入口および出口のさらなる部分が入口および出口のさらなる部分に設けられることが実現され得る。しかしながら、スペース上の理由から、入口と出口の両方が、一種のキャップと見なすこともできる第２のケーシング構成要素に設けられることが好ましい場合がある。
上記で詳細に見ることができるように、提案されている発明は、特定の実施形態において、平坦な基板面または平坦なベースプレートを有する３つの単一のハーフブリッジモジュールを、溶接技術によって第１のケーシング構成要素としての共通の金属フレームに統合することを可能にし、同時に冷却媒体側の熱伝達領域を増強する。第２のステップにおいて、例えば流体槽を形成するために、第２のケーシング構成要素としてのカバーがそれに溶接される。溶接プロセスは、パワーモジュールの機能性に影響せず、Ｏリングおよびねじを使用せずに漏れのない容器を形成することを可能にする。これにより、高い信頼性および高い温定格を有するコンパクトな解決策が得られる。
それとは別に、温度影響を低減することができ、これにより、例えば、モジュールのパワー半導体デバイスに悪影響を及ぼす危険性が低減されている。
要約すると、記載された方法を実行する場合、以下の利点が生じ得る。
第１に、本方法は、コストの削減を見込むことができる。これに関連して、ピンフィンベースプレート、またはさらにはベースプレート全体および基板とベースプレートとの接合を、はるかに安価な平坦なベースプレートまたは絶縁金属基板と交換することによって部品表および製造コストから排除することにより、低コストの概念が可能になり、これは大規模市場の自動車用途にとって特に魅力的である。タービュレータ構造などの冷却構造は、非常に低コストで別個の部品として提供されてもよく、または余分なコストをほとんどかけずに製造して冷却器フレーム、すなわち第１のケーシング構成要素にすることができる。冷却器フレームのレーザ溶接を用いてワンステップで実行することができ、プロセスの延長は、モジュール当たり数秒のみとなることになるため、冷却構造のレーザ溶接は、この概念において、ごくわずかな追加コストで実現することができる。
さらに、改善された製造可能性が生じ得る。これは、例えばハーフブリッジアセンブリプロセス中の平坦なモジュール底面が、走査音響顕微鏡法などのより容易な試験、および部品の単純化された取り扱いによって製造を単純化するという事実に起因し得る。
それとは別に、例えばハーフブリッジモジュールとは別個の冷却器構造を有することにより、例えばチップ位置のレイアウトが変更された場合に、固定具またはキャリアの幾何学的形状を適合させることなどによってハーフブリッジモジュールの組み立てラインにおけるコストのかかる変更を必要とせずに、冷却器構造の変更を実施することが可能になるため、柔軟性を高めることができる。
本方法のさらなる利点および技術的特徴に関しては、構成、図面およびさらなる説明を参照されたい。
パワー半導体モジュールおよび冷却器からなる構成がさらに説明され、パワー半導体モジュールは、少なくとも１つの電気回路を担持する第１の基板面を有し、第１の基板面の反対側に位置する第２の基板面を有する基板を備え、パワー半導体モジュールは、特徴ａ１０）およびａ２０）のうちの１つを含み、
－特徴ａ１０）によれば、第２の基板面は平坦な表面を有し、第２の基板面には、接続領域によって囲まれている冷却領域が配置されており、第２の基板面は、冷却器の第１のケーシング構成要素が接続領域において第２の基板面に接続されるように、冷却器と接触しており、第１のケーシング構成要素は、任意選択的に、冷却領域を受け入れるための少なくとも１つの開口部を備え、第２のケーシング構成要素は、第１のケーシング構成要素と第２のケーシング構成要素との間に、冷却流体のための冷却チャネルが設けられるように、第１のケーシング構成要素に接続されており、冷却構造は、第２の基板面において冷却領域に溶接され、冷却構造と、第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素の少なくとも一方とが、連続構造要素を形成し、
－特徴ａ２０）によれば、パワー半導体モジュールは、ベースプレートを備え、ベースプレートは、第１のベースプレート面と、第１のベースプレート面の反対側に位置する第２のベースプレート面とを備え、第１のベースプレート面は、第２の基板面に接続されており、第２のベースプレート面は、平坦な表面を有し、第２のベースプレート面には、接続領域によって囲まれている冷却領域が配置されており、第２のベースプレート面は、冷却器の第１のケーシング構成要素が接続領域において第２のベースプレート面に接続されるように、冷却器と接触しており、第１のケーシング構成要素は、任意選択的に、冷却領域を受け入れるための少なくとも１つの開口部を備え、第２のケーシング構成要素は、第１のケーシング構成要素と第２のケーシング構成要素との間に、冷却流体のための冷却チャネルが設けられるように、第１のケーシング構成要素に接続されており、冷却構造は、第２のベースプレート面において冷却領域に溶接され、冷却構造と、第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素の少なくとも一方とが、連続構造要素を形成する。
そのような構成は、従来技術の解決策を超える大きな利点を提供することができる。さらに、記載されている構成は、インバータを備えるかまたは形成することができ、および／または前述の方法に従って形成することができる。
冷却構造と、第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素の少なくとも一方とが連続構造要素を形成する特徴は、冷却構造と、第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素のうちの少なくとも一方とをそれぞれ備える１ピース構成要素または一部品構成要素のいずれかによって実現することができる。代替的に、連続構造要素は、溶接などで接続された２ピース構成要素によって形成されてもよく、冷却構造が、第１のケーシング構成要素または第２のケーシング構成要素に溶接などで接続される。したがって、連続構造要素は、共通構造部品として理解され得る。
記載されている構成は、改善された生産性を提供し得る。それとは別に、構成は、効果的な冷却および高い信頼性で機能することができる。
これに関して、パワー半導体モジュールは、複数のパワー半導体デバイスを備える。そのようなパワー半導体デバイスは、一般に、当該技術分野において知られているように形成されてもよく、とりわけ、それぞれＭＯＳＦＥＴおよび／もしくはＩＧＢＴなどのトランジスタもしくはスイッチを含んでもよく、ならびに／または、複数のパワー半導体デバイスは、非限定的に、ダイオードを含んでもよい。パワー半導体デバイスは、それぞれ相互接続されてもよく、したがって、パワー半導体デバイスをその上にはんだ付けまたは焼結することなどによって、リードフレームのそれぞれの領域とガルバニック接触するなど、電気的に接触してもよい。
パワー半導体モジュール、特にパワー半導体デバイスの穏やかな動作条件を可能にするために、パワー半導体モジュールは、基板を介して直接的に、または追加のベースプレートによって冷却器に接続され、熱的に結合される。したがって、冷却器は、基板から、したがってパワー半導体デバイスから熱を放散するのに役立つ。
したがって、セキュアな動作挙動を可能にする冷却器の長期的に安定した信頼できる構成を提供することができる。これは、流体ベースの冷却器が効果的な冷却能力を有するという事実に起因し得る。
パワー半導体モジュールは、トランスファー成形モジュールであることがさらに可能にされてもよい。本実施形態によれば、大いに有益な効果を得ることができる。
これに関して、トランスファー成形パワー半導体モジュールは、ハウジングが不要であるためにコストに関する利点に起因して、パワー半導体デバイスおよびそれぞれの接続の硬質モールドおよび低ＣＴＥ封入を提供することが可能であるためにサイクル信頼性に起因して、低吸湿性および蒸気拡散性が達成されるために環境保護に起因して、ならびに、さらに、振動、衝撃および取り扱い特性、ならびに反り低減に起因して、従来のゲルまたは樹脂封入手法の興味深い代替手段になっている。したがって、トランスファー成形モジュールは、従来技術の解決策を超える大きな利点を有する。
パワー半導体モジュールが三相モジュールであることがさらに可能にされてもよい。ここでも、この実施形態は、特に三相モジュールに関して、基板の冷却器への接続が従来技術による問題であったため、特に効果的に、説明されているような利点を示すことができる。
三相モジュールに関しては、以下に留意されたい。
三相機械を駆動する２レベルトラクションインバータでは、６つの機能性半導体スイッチが必要である。例えば、電気自動車のためのトラクションインバータを見ると、現行技術水準は、３つの個別の相を共通のベースプレートまたは冷却器に統合する６パックモジュールを含むことが多い。この設計の典型的なモジュールは、３相ピンフィンベースプレート、ベースプレートに接着されたプラスチックフレームに基づいている。
３つの個々の成形モジュール、したがって相ごとに１つのハーフブリッジモジュールに基づいて３相成形モジュールを実現することが好ましい。結果として、成形モジュールは、成形後に冷却器システムに取り付けられる必要がある。
それにもかかわらず、従来技術によれば、トランスファー成形６パックモジュールのワンステップ焼結手法は、経済的に非常にリスクが高い。好ましい解決策は、３つの異なるトランスファー成形焼結ハーフブリッジモジュール、すなわち３相モジュールによって作製された６パック構成を目指すことである。しかしながら、重大な課題がある。
Ｏリングを使用することによる組み込みには、主にＯリングの経年劣化などに起因する信頼性の理由で、および組み立てラインの保管および部品番号を必要とするねじの使用について改善の可能性がある。さらに、この解決策は、例えば各ハーフブリッジモジュールが４つのねじを必要とするため、ねじのための空間を必要とする。
さらに、組み込みに使用される方法または技術は、パワーモジュールを損傷してはならない。特に、成形コンパウンドを損傷しないように、温度は２２５°Ｃを超えてはならず、機械的応力は回避されるべきである。
流体エンクロージャは堅牢で漏れがない必要があり、同時に、設計は省スペースで安価でなければならず、それとは別に、例えばハーフブリッジモジュールおよびその機械的組み込みは低コストプロセスでなければならない。このため、ベースプレートを省略するか、または冷却フィン構造のない平坦なベースプレートを使用することが好ましい。
これらの問題は、本発明によれば非常に効果的に解決される。
ベースプレートが存在する場合、ベースプレート材料が、選択された溶接技術に適しており、また、冷却回路内に設置されたときにガルバニック腐食保護のためにニッケルなどのコーティングを必要としない表面仕上げを有することが可能にされるものとする。そのような材料の例は、アルミニウム部分が冷却媒体と接触している銅／アルミニウムベースプレート、または／および、例えば溶接領域のみにアルミニウムが富化されたＡｌＳｉＣベースプレート、または、銅／アルミニウムクラッドベースプレートであり得る。ベースプレートが省略される場合、これが基板のそれぞれの材料に適用されてもよく、金属または合金は、セラミック基板主層上に底部メタライゼーションとして形成されてもよい。
第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素は、異なるアルミニウム合金などの同じ種類の材料から作成されるべきであるが、使用される溶接技術は異なり得る。例えば、圧力が低く、非常に高速で、高い溶接温度をもたらさないレーザ溶接が、一般にフレームとも呼ばれる場合もある第１のケーシング構成要素へのパワーモジュールの溶接、および冷却構造の溶接を行うことができる。代わりに、最大温度および機械的応力に関する要件はそれほど困難ではないため、摩擦かくはん溶接、レーザ溶接、コールドメタルトランスファーが、第２のケーシング構成要素の第１のケーシング構成要素への接合を行うことができる。しかしながら、レーザ溶接が、すべての溶接ステップに１つのプロセスを使用するために好ましい。
基板またはベースプレートの材料および技術の選択に関して、様々な選択肢が可能であるが、パワー半導体デバイス、したがってチップの反対側、すなわちその第２の面が平坦であり、好ましくはアルミニウム製であり、半導体チップを有する上面上のメタライゼーション層を、反対側の冷却媒体から電気的に絶縁する層があることが共通点である。以下の例が、非限定的に可能である。
・ アルミニウム／ＡｌＳｉＣまたは銅／アルミニウムクラッドベースプレートに接合されまたはそれと一体化されたＣｕまたはＡｌメタライゼーションを有するセラミック基板、
・ 厚いメタライゼーション層（好ましくは、レーザ溶接のための底面上のアルミニウムメタライゼーション）を有し、ベースプレートを有しないセラミック基板、
・ 底面上に有機絶縁層および厚い金属層（好ましくはアルミニウム）を有し、ベースプレートを有しない絶縁金属基板。
本構成のさらなる利点および技術的特徴に関しては、方法、図面およびさらなる説明を参照されたい。
図面の簡単な説明
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して諒解され、明らかになるであろう。実施形態に開示されている個々の特徴は、単独でまたは組み合わせて本発明の態様を構成する。異なる実施形態の特徴は、１つの実施形態から別の実施形態に引き継がれ得る。
パワー半導体モジュールの一実施形態を示す図である。 第１のケーシング構成要素の一実施形態を示す図である。 溶接ステップ後のパワー半導体モジュールに固定された第１のケーシング構成要素の構成を示す図である。 パワー半導体モジュールの基板に冷却構造を固定した後の、パワー半導体モジュールに固定された第１のケーシング構成要素の構成を示す図である。 第１の実施形態による、パワー半導体モジュールに固定されるべき第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素と、ベースプレートに固定された冷却構造とを有するパワー半導体モジュールの構成を示す図である。 さらなる実施形態による、パワー半導体モジュールに固定されるべき第１のケーシング構成要素および第２のケーシング構成要素と、ベースプレートに固定された冷却構造とを有するパワー半導体モジュールの構成を示す図である。 第２のケーシング構成要素の一実施形態を示す図である。 溶接ステップ後の第１のケーシング構成要素に固定された第２のケーシング構成要素の構成を示す図である。 パワー半導体モジュールのさらなる実施形態を示す図である。 パワー半導体モジュールのさらなる実施形態を示す図である。
実施形態の説明
図１は、下記により詳細に示されるような本発明による方法を使用することによって冷却器１２を備えるべきパワー半導体モジュール１０を示す。
パワー半導体モジュール１０は、図５および図６ならびに図９および図１０に関して下記により詳細に示すように、少なくとも１つの電気回路１８を担持する第１の基板面を有し、第１の基板面１６の反対側に位置する第２の基板面２０を有する基板１４を備える。
さらなる実施形態では、第２の基板面２０はベースプレート１５に接続されてもよく、結果、基板１４に冷却器１２を設けることに関する以下の説明は、ベースプレート１５に冷却器１２を設けることと置き換えることができる。
パワー半導体モジュール１０の電気回路１８は、パワー半導体モジュール１０がトランスファー成形モジュールである場合に、基板１４に焼結することができ、図１には示されていないパワー半導体デバイス２２を備える。したがって、電気回路１８を封入する成形コンパウンド２４が示されている。したがって、パワー半導体モジュール１０はオーバーモールドモジュールである。しかしながら、電気回路１８に外部接触するための端子２６は、成形コンパウンド２４から延出するように示されている。
上述したように、基板１４は、冷却器１２と接触するように適合された第２の基板面２０を備える。したがって、冷却器１２は、第２の基板面２０に接続される。図１によれば、特に基板メタライゼーションが示されており、第２の基板面２０を形成する。
第２の基板面２０には、接続領域３０によって囲まれた冷却領域２８が設けられている。冷却領域２８は、冷却流体または冷却構造３２と接触するように適合され、接続領域３０は、下記により詳細に説明するように冷却器１２に固定されるように適合される。
第２の基板面２０、したがってまた冷却領域２８も平坦な表面を有し、したがっていかなる冷却構造３２も有しないことがさらに示されている。
そのようなパワー半導体モジュール１０は、例えば、ハーフブリッジモジュールであってもよく、例えば、車両にしばしば必要とされるような三相モジュールの一部であってもよい。
そのようなパワー半導体デバイスは、図９および図１０にも示されている。
図９によれば、一般に上述のように構成されているパワー半導体モジュール１０が示されている。したがって、それは、基板絶縁層５０上にメタライゼーション４８を担持する基板１４を備え、基板１４またはその第２の面２０は、冷却器１２と接触し、冷却構造３２をそれに溶接するために平坦である。電気回路１８のパワー半導体デバイス２２は、例えばワイヤボンド接続５４によってメタライゼーション４８のさらなる領域に接続される。電気回路１８が成形コンパウンド２４によって封入されていることがさらに分かる。
図１０による構成は、第２の基板面２０に接続されている第１のベースプレート面１７を有し、さらに第２のベースプレート面１９を有する追加のベースプレート１５を備える。第２のベースプレート面１９は、冷却器１２と接触し、冷却構造３２をそれに溶接するために平坦である。
冷却器１２をパワー半導体モジュール１０に設けるために、それは、接続領域３０において冷却器１２の第１のケーシング構成要素３４を第２の基板面２０に接続するように設けられる。第１のケーシング構成要素３４はアルミニウムから形成されてもよい。冷却領域２８および後の段階で第２の基板面２０に固定されるべき冷却構造３２が冷却器１２の作動状態においてアクティブであることを可能にするために、この実施形態では、第１のケーシング構成要素３４は、冷却領域２８、したがって後に取り付けられる冷却構造３２を受け入れるための開口部３６を備える。
そのような第１のケーシング構成要素３４が図２に示されている。第１のケーシング構成要素３４が、３つのハーフブリッジモジュールなどの３つのパワー半導体モジュール１０を受け入れるように適合され得る３つの開口部３６を含むことが示されている。例えば、冷却器１２およびパワー半導体モジュール１０からなる構成を支持体に固定するための穴３８がさらに示されている。
図３は、溶接ステップによってパワー半導体モジュール１０またはその基板１４にそれぞれ固定された第１のケーシング構成要素３４の上面図を示す。このステップは、例えば、レーザ溶接によって行われてもよい。
より詳細には、第１のケーシング構成要素３４が、開口部３６全体の周りで連続的に延伸する連続溶接経路４０によって基板１４に固定されることが示されている。したがって、溶接経路４０は、機械的安定性を提供するとともに、第１のケーシング構成要素３４を基板１４に対してシールする。
図４は、パワー半導体モジュール１０に固定されている第１のケーシング構成要素３４のさらなる図を示す。図４によれば、熱伝達面積を増加させるために、冷却構造３２が基板１４の第２の基板面２０の各冷却領域２８に溶接されていることが分かる。冷却構造３２は波状に形成され、この構成は本発明を限定するように意図されていない。
図４では、冷却構造３２としてのタービュレータのタイプは、３つのハーフブリッジモジュールすべてについて同じであるが、それらはまた、幾何学的形状が異なってもよく、または異なるタイプであってもよい。例えば、熱蓄積効果を緩和し、改善された冷却領域またはより多くの乱流を達成するために、流れ方向に沿ってタービュレータの波高点を増加させることが可能であり得る。冷却構造３２の溶接の利点の１つは、例えば、異なるタイプの冷却構造３２を組み合わせ、熱設計に高い柔軟性を提供することができることである。
冷却構造３２を設けることは、図５および図６にさらに示されている。
詳細には、図５において、パワー半導体モジュール１０が、少なくとも１つの電気回路１８を担持する第１の基板面１６を有し、第１の基板面１６の反対側に位置する第２の基板面２０を有する基板１４を備えることが示されている。第１の基板面１６は、例えば絶縁シート５２によって基板１４のベース金属層５１に接続されたメタライゼーション４８を備える。電気回路１８のパワー半導体デバイス２２は、ワイヤボンド接続５４によってメタライゼーション４８のさらなる領域に接続される。電気回路が成形コンパウンド２４によって封入されていることがさらに分かる。
第２の基板面２０に関して、第１のケーシング構成要素３４が基板１２に接続されていることが示されている。より詳細には、第１のケーシング構成要素３４が、第１のケーシング構成要素３４と一部品形態に形成された冷却構造３２を備えることが分かる。さらに、第２のケーシング構成要素４２が、第１のケーシング構成要素３４に接続されるべきである。矢印は、冷却構造３２を含む第１のケーシング構成要素３４および第２のケーシング構成要素４２がそれぞれ溶接によって固定され、それにより、第１のケーシング構成要素３４が接続領域３０に溶接され、冷却構造３２が冷却領域２８に溶接され、第２のケーシング構成要素４２が第１のケーシング構成要素３４に、および任意選択的に冷却構造３２にも溶接されることを示すものとする。
一部品形態の冷却構造３２および第１のケーシング構成要素３４の提供は、スタンピング、機械加工、変形プロセス、深絞りなどの任意の組み合わせによって、冷却器フレーム部品として形成されている第１のケーシング構成要素３４内に冷却構造３２を直接製造することによって、または、第１のケーシング構成要素３４および冷却構造３２を別個の部品として予め組み立て、溶接、ろう付け、接着などのような任意の接合プロセスによってそれらを接続し、その後、それらをパワー半導体モジュール１０に組み付けることによって達成することができる。
図６は、概してそれぞれの説明に付託されるように、図５の実施形態と同様の実施形態を示している。しかしながら、図６による実施形態は、冷却構造３２が冷却領域２８に溶接されているが、冷却構造を形成する要素が第１のケーシング構成要素３４にも溶接されており、したがって最初は第１のケーシング構成要素３４と比較して異なる部分であるという事実に起因して、図５の実施形態とは異なる。
さらに、冷却器１２に関して、後者を形成するために、第２のケーシング構成要素４２が第１のケーシング構成要素３４に接続され、任意選択的に冷却構造３２にも接続されることがさらに可能にされる。
第２のケーシング構成要素４２は、図７に示されており、図７において、第２のケーシング構成要素４２が冷却器１２を通して冷却流体を案内するための入口および出口として機能することができる２つの開口部４４を含むことが示されている。
より詳細には、図８に示すように、冷却領域２８または冷却構造３２に冷却流体を供給するための冷却チャネルが第１のケーシング構成要素３４と第２のケーシング構成要素４２との間に設けられるように、第２のケーシング構成要素４２が第１のケーシング構成要素３４に固定されることが可能にされる。これは、第２のケーシング構成要素４２が、冷却チャネルを完全に取り囲む溶接経路４６に沿って溶接技法によって第１のケーシング構成要素３４に溶接されることにおいて実現される。最大温度および機械的応力に関する要件は、第１のケーシング構成要素３４および冷却構造３２を基板１４に固定する溶接ステップと比較して困難ではないため、溶接ステップが、摩擦かくはん溶接、レーザ溶接およびコールドメタルトランスファーによって実行されることが可能にされてもよい。
第１のケーシング構成要素３４を基板１４に固定する後者の溶接ステップに戻ると、基板の材料または基板メタライゼーションは、熱性能、信頼性、耐食性および溶接性の間の最良の妥協点として選択され得る。後者の点が、大きく関連し得る。脆弱な金属間相を回避するために、溶接界面における、したがって接続領域３０における基板１４の材料は、アルミニウムから形成されてもよい。
前の図に戻ると、第１のケーシング構成要素３４は、上に示したように第１のケーシング構成要素３４が第２のケーシング４２構成要素に固定された場合に冷却チャネルを形成し得る隆起部３５を備えることが分かる。この場合、第１のケーシング構成要素３４は、第２のケーシング構成要素４２によって閉じられる一種の冷却槽を形成することができる。
したがって、本発明を限定しない好ましい実施形態によれば、このように、パワーモジュール１０を第１のケーシング構成要素３４と共通のフレームに組み込むことと、溶接技術を使用することによって冷却媒体と接触する基板またはベースプレートの熱伝達面積を増加させることとを組み合わせることによって、上述の問題に対する解決策が得られることが可能にされてもよい。平板によるパワーモジュール１０の熱伝達面積の増加は、スイッチング動作中にダイによって生成される高い熱流束密度に対処するために極めて重要である。
これらを効率的に冷却するためには、流体の熱伝達率を高めるために、平板と比較してより高い熱伝達面積および高い乱流が必要とされる。これは、アルミニウムタービュレータまたは同様の冷却構造３２を冷却媒体と接触する基板またはベースプレート面に溶接することによって、効率的かつコスト競争力のある方法で達成することができる。アルミニウムタービュレータ、ならびに、空調およびオイル熱交換器のために自動車産業において使用される現行技術水準のフィンは安価である。それらは異なる形状およびサイズであり得る。その選択は、冷却媒体および乱流としての冷却要件、最小許容間隙などに基づいて行われる。
タービュレータまたは同様の冷却構造は、別個の部品として挿入することができ、基板またはベースプレートに溶接することができ、または、代替的に、冷却構造は冷却器フレームの一体部品であってもよい。
本発明は、図面および前述の説明において詳細に図示および説明されてきたが、そのような図示および説明は、図示的または例示的であって限定的ではないと考えられるべきであり、本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に対する他の変更は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、特許請求される発明の実践において当業者によって理解され、実施され得る。特許請求の範囲において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているというだけの事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
参照符号のリスト
１０ パワー半導体モジュール
１２ 冷却器
１４ 基板
１５ ベースプレート
１６ 第１の基板面
１７ 第１のベースプレート面
１８ 電気回路
１９ 第２のベースプレート面
２０ 第２の基板面
２２ パワー半導体デバイス
２４ 成形コンパウンド
２６ 端子
２８ 冷却領域
３０ 接続領域
３２ 冷却構造
３４ 第１のケーシング構成要素
３５ 隆起部
３６ 開口部
３８ 穴
４０ 溶接経路
４２ 第２のケーシング構成要素
４４ 開口部
４６ 溶接経路
４８ メタライゼーション
５０ 絶縁層
５１ ベース金属層
５２ 絶縁シート
５４ ワイヤボンド接続

Claims (15)

  1. パワー半導体モジュール（１０）に冷却器（１２）を提供する方法であって、
    ａ）少なくとも１つの電気回路（１８）を担持するための第１の基板面（１６）を有し、かつ前記第１の基板面（１６）の反対側に位置する第２の基板面（２０）を有する基板（１４）を備える前記パワー半導体モジュール（１０）を提供するステップを含み、
    前記パワー半導体モジュール（１０）は、特徴ａ１）および特徴ａ２）のうちの一方を含み、
    特徴ａ１）によれば、前記第２の基板面（２０）は平坦な表面を有し、前記冷却器（１２）と接触するように適合され、前記第２の基板面（２０）には、接続領域（３０）によって囲まれている冷却領域（２８）が配置されており、
    特徴ａ２）によれば、前記パワー半導体モジュール（１０）は、ベースプレート（１５）を備え、前記ベースプレート（１５）は、第１のベースプレート面（１７）と、前記第１のベースプレート面（１７）の反対側に位置する第２のベースプレート面（１９）とを備え、前記第２の基板面（２０）は、前記第１のベースプレート面（１７）に接続され、前記第２のベースプレート面（１９）は、平坦な表面を有し、前記冷却器（１２）と接触するように適合され、前記第２のベースプレート面（１９）には、接続領域（３０）によって囲まれている冷却領域（２８）が配置されており、
    特徴ａ１）が実現される場合、前記方法は、
    ｂ１）前記冷却器（１２）の第１のケーシング構成要素（３４）を前記接続領域（３０）において前記第２の基板面（２０）に接続するステップであって、前記第１のケーシング構成要素（３４）は、任意選択的に、前記冷却領域（２８）を受け入れるための少なくとも１つの開口部（３６）を備える、接続するステップと、
    ｃ１）前記冷却領域（２８）に冷却流体を供給するための冷却チャネルが前記第１のケーシング構成要素（３４）と第２のケーシング構成要素（４２）との間に設けられるように、前記第２のケーシング構成要素（４２）を前記第１のケーシング構成要素（３４）に接続するステップと、
    ｄ１）冷却構造（３２）を前記第２の基板面（２０）にある前記冷却領域（２８）に溶接するステップと
    を含み、
    または、特徴ａ２）が実現される場合、前記方法は、
    ｂ２）前記冷却器（１２）の第１のケーシング構成要素（３４）を前記接続領域（３０）において前記第２のベースプレート面（１９）に接続するステップであって、前記第１のケーシング構成要素（３４）は、任意選択的に、前記冷却領域（２８）を受け入れるための少なくとも１つの開口部（３６）を備える、接続するステップと、
    ｃ２）前記冷却領域（２８）に冷却流体を供給するための冷却チャネルが前記第１のケーシング構成要素（３４）と第２のケーシング構成要素（４２）との間に設けられるように、前記第２のケーシング構成要素（４２）を前記第１のケーシング構成要素（３４）に接続するステップと、
    ｄ２）冷却構造（３２）を前記第２のベースプレート面（１９）にある前記冷却領域（２８）に溶接するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記特徴ａ１）が実現されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記特徴ａ２）が実現されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  4. 前記冷却構造（３２）が、前記第１のケーシング構成要素（３４）または前記第２のケーシング構成要素（４２）に溶接されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記冷却構造（３２）が、前記第１のケーシング構成要素（３４）または前記第２のケーシング構成要素（４２）との一部品形態において設計されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記第１のケーシング構成要素（３４）が、溶接によって前記第２の基板面（２０）または前記第２のベースプレート面（１９）に接続されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記第２のケーシング構成要素（４２）が、溶接によって前記第１のケーシング構成要素（３４）に接続されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
  8. ステップａ１）、ｂ１）、ｃ１）、およびｄ１）のすべてが実現される場合、前記第１のケーシング構成要素（３４）が、前記開口部（３６）を完全に取り囲む溶接経路（４０）に沿って前記第２の基板面（２０）の前記接続領域（３０）に溶接されることを特徴とする、請求項１～２または４～７のいずれか一項に記載の方法。
  9. ステップａ２）、ｂ２）、ｃ２）、およびｄ２）のすべてが実現される場合、前記第１のケーシング構成要素（３４）が、前記開口部（３６）を完全に取り囲む溶接経路（４０）に沿って前記第２のベースプレート面（１９）の前記接続領域（３０）に溶接されることを特徴とする、請求項１または３～７のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記冷却構造（３２）の溶接、前記第１のケーシング構成要素（３４）の溶接、または前記第２のケーシング構成要素（４２）の溶接のうちの少なくとも１つが、レーザ溶接によって行われることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
  11. ステップｄ１）がステップｃ１）の前に実行されるか、またはステップｄ２）がステップｃ２）の前に実行されることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. ステップｄ１）がステップｃ１）と並行して実行されるか、またはステップｄ２）がステップｃ２）と並行して実行されることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
  13. パワー半導体モジュール（１０）および冷却器（１２）からなる構成であって、前記パワー半導体モジュール（１０）は、少なくとも１つの電気回路（１８）を担持する第１の基板面（１６）を有し、かつ前記第１の基板面（１６）の反対側に位置する第２の基板面（２０）を有する基板（１４）を備え、前記パワー半導体モジュール（１０）は、特徴ａ１０）およびａ２０）のうちの１つを含み、
    －特徴ａ１０）によれば、前記第２の基板面（２０）は平坦な表面を有し、前記第２の基板面（２０）には、接続領域（３０）によって囲まれている冷却領域（２８）が配置されており、前記第２の基板面（２０）は、前記冷却器（１２）の第１のケーシング構成要素（３４）が前記接続領域（３０）において前記第２の基板面（２０）に接続されるように、前記冷却器（１２）と接触しており、前記第１のケーシング構成要素（３４）は、任意選択的に、前記冷却領域（２８）を受け入れるための少なくとも１つの開口部（３６）を備え、第２のケーシング構成要素（４２）は、前記第１のケーシング構成要素（３４）と前記第２のケーシング構成要素（４２）との間に、冷却流体のための冷却チャネルが設けられるように、前記第１のケーシング構成要素（３４）に接続されており、冷却構造（３２）は、前記基板（１４）の前記第２の基板面（２０）において前記冷却領域（２８）に溶接され、前記冷却構造（３２）と、前記第１のケーシング構成要素（３４）および前記第２のケーシング構成要素（４２）の少なくとも一方とが、連続構造要素を形成し、
    －特徴ａ２０）によれば、前記パワー半導体モジュール（１０）は、ベースプレート（１５）を備え、前記ベースプレート（１５）は、第１のベースプレート面（１７）と、前記第１のベースプレート面（１７）の反対側に位置する第２のベースプレート面（１９）とを備え、前記第１のベースプレート面（１７）は、前記第２の基板面（２０）に接続されており、前記第２のベースプレート面（１９）は、平坦な表面を有し、前記第２のベースプレート面（１９）には、接続領域（３０）によって囲まれている冷却領域（２８）が配置されており、前記第２のベースプレート面（１９）は、前記冷却器（１２）の第１のケーシング構成要素（３４）が前記接続領域（３０）において前記ベースプレート（１５）の前記第２のベースプレート面（１９）に接続されるように、前記冷却器（１２）と接触しており、前記第１のケーシング構成要素（３４）は、任意選択的に、前記冷却領域（２８）を受け入れるための少なくとも１つの開口部（３６）を備え、第２のケーシング構成要素（４２）は、前記第１のケーシング構成要素（３４）と前記第２のケーシング構成要素（４２）との間に、冷却流体のための冷却チャネルが設けられるように、前記第１のケーシング構成要素（３４）に接続されており、冷却構造（３２）は、前記第２のベースプレート面（１９）において前記冷却領域（２８）に溶接され、前記冷却構造（３２）と、前記第１のケーシング構成要素（３４）および前記第２のケーシング構成要素（４２）の少なくとも一方とが、連続構造要素を形成する、構成。
  14. 前記パワー半導体モジュール（１０）が、トランスファー成形モジュールであることを特徴とする、請求項１３に記載の構成。
  15. 前記パワー半導体モジュール（１０）が、三相モジュールであることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の構成。
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