JP4383866B2 - パワー電子ユニット - Google Patents

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Description

本発明は殊に自動車内の制御機器に対するパワー電子ユニットに関する。ここでこのパワー電子ユニットは担体要素を有しており、この担体要素上に、同じように担体要素上に配置された、回路の電気的パワー構成素子および制御構成素子を電気的に接続するための導体路が配置されており、ここでこの担体要素は担体要素を収容しているケーシングの熱伝導性ケーシング構成部分に熱伝導性に接続されている。
パワー電子ユニットは、放出されなければならいような熱を電気的パワー構成素子が生成してしまうという欠点を有している。このため、担体要素を絶縁性の導体プレートとして構成し、この絶縁性導体プレート上に銅導体路を例えば積層によって被着させ、電気的パワー構成素子並びに場合によっては制御構成素子もろう付けによってこの銅導体路と接続させることが公知である。熱伝導性接着剤によってこの導体プレートはケーシング構成部分上に接着される。これによってこのケーシング構成部分はヒートスプリッダとしても用いられ、さらに熱を周囲に放出する。
この場合に以下の欠点が生じる。すなわち電気的パワー構成素子とケーシング構成部分との間の熱抵抗が比較的大きく、殊に導体プレート上の電気的パワー構成素子の密度が比較的高い場合、熱放出が不十分であるという欠点である。
従って本発明の課題は、冒頭に記載した形式のパワー電子ユニットを改善して、電気的パワー構成素子の電気的絶縁にもかかわらず簡単な構成で、電気的パワー構成素子とケーシング構成部分との間の熱抵抗がより少ないパワー電子ユニットを提供することである。
上述の課題は、本発明と相応に、担体要素が多孔性のセラミック構成部分から成り、この多孔性セラミック構成部分の孔が金属または金属性物質で充填され、多孔性セラミック構成部分が厚膜誘電体によって覆われ、厚膜誘電体上に厚膜導体路である導体路およびパワー構成素子が被着され、この導体路はろう付けによって電気的パワー構成素子と導電性接続され、担体要素はケーシング構成部分に接して配置される、ことによって解決される。
このように構成された金属性担体要素は以下の利点を有している。すなわち非常に良好な熱伝導度によって既にヒートスプリッダとして用いられ、さらに非常に直接的に、電気的パワー構成素子によって生成された熱を大きな面へ分配するという利点を有している。しかし同時に僅かな膨張係数によって、温度変化要求が高い場合に（殊に自動車内のパワー電子ユニットは温度変化要求の影響を受ける）、電気的パワー構成素子が導体路から裂かれることが阻止される。担体要素の既に大きな面積によって、通常はアルミニウムから成るケーシング構成部分への良好な熱放出が行われ、ケーシング構成部分から周辺への熱放出が行われる。
電気的絶縁は厚膜誘電体を介して行われる。この厚膜誘電体は非常に薄く構成されており、電気的パワー構成素子から担体要素への良好な熱移動に僅かにしか影響を与えない。しかし膨張が整合された（dehnungsangepassten）層システムによって、上部に被着された厚膜導体路の確実な接続が保証される。
良好な熱導出によって、より小さな、従ってより安価で必要とする構造空間がより少ない電気的パワー構成素子が用いられる。
担体要素の有利な構成では、担体要素はシリコンカーバイドマトリックスから成り、シリコンカーバイドマトリックスの孔にアルミニウムが充填される、または担体要素は焼結された銅マトリックスから成り、この銅マトリックスの孔にモリブデンが充填される、または担体要素は焼結された銅マトリックスから成り、この銅マトリックスの孔にタングステンが充填される。これらの構成は、良好な熱伝導度の利点を次のような膨張係数と結び付ける。すなわち銅またはアルミニウムの膨張係数より格段に低く、電気的パワー構成素子の膨張係数とほぼ同じ膨張係数である。
担体要素が０. ５ｍｍより厚い、殊に約０. ５ｍｍ〜４. ０ｍｍの厚さである担体プレートの場合、回路および電気的パワー電子構成素子と別個に製造可能な構成部分を、安定した、破損しにくい構成部分として容易にケーシング構成部分に配置することができる。
厚膜誘電体はガラス層であり得る。ここでこのガラス層は容易に担体要素上にプリントされ、熱プロセスよって担体要素と結合される。
厚膜誘電体はプラズマ層でもよい。このプラズマ層は有利にはプラズマ溶射プロセスで被着されたＡｌ２Ｏ３層である。この場合に厚膜誘電体は、約５μｍ〜４０μｍの厚さであり、従って熱の通過は実質的に影響されない。
しかしはじめにプラズマ層を担体要素上に被着させ、プラズマ層上にガラス層を被着させることも可能である。これによって電気的な絶縁が特に確実になり、プラズマ層はガラス層の接着仲介物として用いられる。
製造プロセスを簡単にするために、導体路をＬＴＴＣ膜（low temperature fired ceramic）上にプリントして厚膜誘電体上に被着させ、熱プロセスによって厚膜誘電体に結合させることができる。
この場合にＬＴＴＣ膜の厚さは約０. １ｍｍである。厚膜誘電体および、導体路が設けられたＬＴＴＣ膜が担体要素上に被着された後に、共通の熱プロセスにおいて熱が加えられる場合に製造コストは特に低下する。なぜならこれによって熱プロセスの数が低減されるからである。
電気的パワー構成素子を確実に接続するために、電気的パワー構成素子および／または制御構成素子を接続するための接続パッドを導体路が有しているのは有利である。
担体要素が平面的にケーシング構成部分に接して配置される場合、電気的パワー構成素子によって生成された熱を特に良好に放出することができる。
担体要素を固定要素を用いてケーシング構成部分に配置することによって、担体要素をケーシング構成部分に確実かつ容易に配置することができる。この場合に担体要素はねじを用いてケーシング構成部分に容易に固定され、接続が任意に固定的に形成される。
付加的に担体要素とケーシング構成部分の間に、熱伝導ペーストの層を配置することができる。周辺に殊に良好に熱を放出するために、このケーシング構成部分をケーシングの外壁とすることができる。
電気的パワー構成素子によって生成された、放出されるべき熱が殊に高い場合、ケーシング構成部分を、冷却剤が加えられたケーシング壁部とすることができる。
本発明の実施例を図示し、以下でより詳細に説明する。図はパワー電子ユニットの横断面図である。
図示されたパワー電子ユニットは担体プレート１を有している。ここでこの担体プレートは、シリコンカーバイドマトリックスから成る。シリコンカーバイドマトリックスの孔にはアルミニウムが充填されている（Ａｌ−ＳｉＣ）。厚さ１. ５ｍｍのこの担体プレート１は、アルミニウムから成るケーシングの外壁３上にねじによって平面的に載置されて固定されている。この場合には担体プレート１とケーシング外壁３との間に、薄い熱伝導ペースト層８が配置されている。
外壁３の方を向いていない面上で、担体プレート１上にガラス層４（Ａｌ２Ｏ３）がプリントされている。
その上にはＬＴＴＣ薄膜が被着される。このＬＴＴＣ薄膜上には回路の導体路５のパターンが厚膜技術を用いてプリントされている。
後続の熱プロセスにおいて、ガラス層４と導体路５は担体プレート１と固定的に接続される。
導体路５の隣で、ガラス層４上に電気的パワー構成素子７（パワー半導体素子）が被着され、このパワー構成素子７の接続部９は、軟ろう６を用いたろう付けによって、導体路５の接続パッド１０と導電性に接続される。
パワー電子ユニットの横断面図である。

Claims (16)

  1. 自動車内の制御機器用のパワー電子ユニットであって、
    セラミック構成部分から成る担体要素（１）を有しており、当該担体要素（１）上に、同じように担体要素（１）上に配置された回路の電気的パワー構成素子（７）と制御構成素子を電気的に接続するための導体路（５）が配置されており、
    前記担体要素（１）は、担体要素（１）を収容しているケーシングの熱伝導性ケーシング構成部分（３）と熱伝導性に接続されており、
    前記導体路（５）は厚膜導体路として被着されており、ろう付け（６）によって前記電気的パワー構成素子（７）と導電性に接続されており、前記担体要素（１）は前記ケーシング構成部分（３）に接して配置されている形式のものにおいて、
    前記担体要素（１）は多孔性のセラミック構成部分から成り、当該多孔性セラミック構成部分の孔は金属または金属性物質によって充填されており、当該多孔性セラミック構成部分は厚膜誘電体（４）によって覆われており、
    前記導体路（５）はＬＴＴＣ膜上にプリントされて前記厚膜誘電体（４）上に被着され、前記厚膜誘電体（４）および、前記導体路（５）がプリントされた前記ＬＴＴＣ膜に、前記担体要素（１）上への被着後に共通の熱プロセスにおいて熱が加えられる、
    ことを特徴とするパワー電子ユニット。
  2. 前記担体要素（１）はシリコンカーバイドマトリックスから成り、当該シリコンカーバイドマトリックスの孔はアルミニウムによって充填されている、請求項１記載のパワー電子ユニット。
  3. 前記担体要素（１）は、０. ５ｍｍより厚い担体プレート（１）である、請求項１または２記載のパワー電子ユニット。
  4. 前記担体プレート（１）は、０. ５ｍｍから４. ０ｍｍの間の厚さを有している、請求項３記載のパワー電子ユニット。
  5. 前記厚膜誘電体（４）はガラス層（４）である、請求項１から４までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  6. 前記ガラス層（４）は担体要素（１）上にプリントされ、前記熱プロセスによって担体要素（１）に結合される、請求項５記載のパワー電子ユニット。
  7. 前記厚膜誘電体（４）はプラズマ溶射プロセスにおいて被着されたＡｌ２Ｏ３層である、請求項１から４までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  8. 前記厚膜誘電体（４）は、５μｍから４０μｍの間の厚さを有している、請求項５から７までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  9. 前記ＬＴＴＣ膜は０. １ｍｍの厚さを有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  10. 前記導体路（５）は、電気的パワー構成素子（７）および／または制御構成素子を接続するための接続パッド（１０）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  11. 前記担体要素（１）は、平面的に前記ケーシング構成部分（３）に接して配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  12. 前記担体要素（１）は、固定要素（２）によって前記ケーシング構成部分（３）に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  13. 前記固定要素（２）は、ねじであることを特徴とする、請求項１２記載のパワー電子ユニット。
  14. 前記担体要素（１）とケーシング構成部分（３）の間に熱伝導ペースト層（８）が配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  15. 前記ケーシング構成部分（３）はケーシングの外壁（３）である、請求項１から１４までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
  16. 前記ケーシング構成部分（３）は、冷却剤が加えられたケーシング壁部である、請求項１から１５までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
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