JP4576016B2 - プレッシャーコンタクティングにおけるコンバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体回路装置、特にパワークラス（Leistungsklasse、比較的高い電力のための素子）の電流変換器(Stromrichter)の形でのパワー半導体回路装置を備えたコンバータに関し、このコンバータは、ドライバーと、少なくとも一つのケーシングと、押圧プレートとを有し、前記ケーシング内には電気的に絶縁されたベースプレートが配置されていて、当該ベースプレート上にはパワー半導体回路装置が形成されていて、前記押圧プレートが、前記ケーシング上に載置されていて、一定の圧力を、一方では前記ベースプレートを冷却体上に配置して熱的に伝導性をもって接触させるためにこの圧力を伝達する前記ケーシングの押圧エレメントに対し、他方では前記ベースプレートの接触面と当該コンバータの主電流接続部を電気的に伝導性をもって接続させるために当該主電流接続部に対して加えるものとして用いられる。ここでは少なくとも一部が押圧接触構造(Druckkontaktaufbauten)のために適当であるコンバータに関するものである。押圧接触接続は、半導体モジュールないし半導体回路の製造のテクノロジーで接続技術として十分に知られている。
【０００２】
【従来の技術】
押圧接触構造の接触信頼性（連絡確実性、Kontaktsicherheit）は、連続負荷運転(Dauerlastbetrieb)あるいは交番負荷運転（変動負荷運転、Wechsellastbetrieb）の際に回路装置の機能信頼性に関して決定的な意味がある。全ての外部接続部が、変動する熱的及び電気的な負荷の際に、常に回路装置の全ての接続部の内部の接触箇所への確実な接触を保証しなければならない。形状拘束的な（ポジティブな）接触の場合には、通常の寿命の間に押圧力の弱まりによって全体の構造の機能障害がひきおこされる。比較的長い寿命を獲得するために、この問題についての文献からそれらの記載により多くの努力が知られている。制限のない寿命の達成を手に入れようと努力されている。
【０００３】
大気に対しての密閉の要件の結果として、プレッシャーコンタクティング（押圧接触させること）のテクノロジーは、たびたび、実地に適用され得る技術のための全ての必要条件をもたらすことによる上述の研究の対象であった。（つまり、プレッシャーコンタクティングは、周囲からの影響に対しての遮断（密閉）を必要とする。このテーマはすでに複数の刊行物にて論じられている。それによって、ある程度の従来技術がうみ出された。）
【０００４】
ドイツ特許出願公開第３５０８４５６号公報(DE 35 08 456 A1)には、押圧接触構造及びパワー半導体モジュールの製造のためのそれの方法が記載されている。調整されたねじ締め固定によって、ケーシングに存在する内的なストレス力（締め付け力、テンション力、弾力、Spannkraft）が絶縁セラミックスないしパワー半導体を冷却面に押しつけるために援用される。押圧構造のエレメントとしてのケーシングのストレス力の弱まりは、そのように構成されたモジュールの長い寿命にマイナスの材料を提供する。なぜならば、ここでは、別の押圧エネルギー蓄積器(Druckenergiespeicher)が設けられていないからである。
【０００５】
ドイツ特許出願公開第４１２２４２８号明細書(DE 41 22 428 A1)では、蓄圧器(Druckspeicher)として機能を果たすクッションエレメント(Kissenelement)が回路装置に組み込まれる。このクッションエレメントは、ブリッジエレメント上に位置する。当該ブリッジエレメントは、回路内部の部品を固定し且つそれに圧力を及ぼす。ブリッジエレメントの機械的な安定性は、クッションエレメント上方の押圧プレート（圧力プレート）によって発生させられる。その際、冷却エレメントとのそれのねじ締め固定が静的な圧力を発生させる。この三重連結によって、費用がかかるが、しかし機能に関して非常に良好に働く解決策が獲得される。蓄圧器としてのクッションエレメントの弱まりが長時間挙動において考えられる。
【０００６】
ドイツ特許第４１３１２００号明細書(DE 41 31 200 C2)は、次のような回路装置を記載する。すなわち、この回路装置では、押圧接触のための押しつけ装置がブリッジエレメントからなる。当該ブリッジエレメントは相応の隆起部及び沈下部（陥没部）を備えて構成されており、当該ブリッジエレメントにより構造部材の回路に適合した電気的な接続及び熱的な接触が押圧付勢（圧力付勢）に応じて作り出される。押しつけ装置は合成物質から形成されている。当該合成物質は、継続する作動においてエージングを免れない。このことは、非常にマッシブな（どっしりした、かさばった）構造を結果として生み出す。
【０００７】
以前の出願、ドイツ特許第１９５３１４９６号明細書(DE 195 31 496 C1)には、同種に構成された押圧リップを備える圧力を与えるケーシングが記載されている。それによって、その他の構造規定(Aufbauvorschriften)に注目すると、モジュールの、すべての損失熱への均質な圧力分散（圧力配分）を発生させる部材が与えられている。その際、それぞれの個々の部材は弾性支持で（ばねをつけて）押される。しかしながら、非常に大きな面圧力のためには、そのような押圧リップ弾性装置は適当でない。ここでもエージングによって合成物質の流れによる圧力低下が発生し得る。このことは、非常にマッシブな構成を必要にし且つより小さい面圧力を有する領域への言及された限定を理由づける。
【０００８】
ドイツ特許出願公開第１９６３０１７３号明細書(DE 196 30 173 A1)は、両方の上記の刊行物の起こり得る長時間不安定性を、押圧ピースにおける補強部が合成物質から形成された状態にあることによって顧慮する。中心から一様な圧力分散を達成するために、ここでは蓄圧器は中心に配置されている。
【０００９】
ドイツ特許出願公開第１９６５１６３２号明細書(DE 196 51 632 A1)は、圧力を与える構造エレメントとして以下のようなテンションボルト（予負荷ねじ、Dehnschraube)を提案する。すなわち、このテンションボルトは、回路装置の異なった温度でテクノロジー的に固定された範囲における内圧をもたらす。このダイナミックな圧力一様化（圧力適合、Druckangleichung）は、特に非常に高パワーの回路装置に関して利点をもっており、すべての構造部分の不変の圧力に関しての制限のない寿命が期待され得る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、長時間寿命を確かに保証する押圧プレートでの押圧接触実施における高い信頼性（確実度）を備えるパッケージング密度(Packungsdichte)の非常に高いパワー半導体素子のための簡単に実現され得る回路装置を備えるコンバータを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明により、請求項１の特徴部分の措置によって解決される。
有利な別の構成が従属する請求項に記載されている。
【００１２】
押圧接触実施（押圧接触形成、Druckkontaktausfuehrung）における電流コンバータ(Stromumrichter)のためのパワー半導体回路装置の可能なパワー密度(Leistungsdichte)の限界は、接触させられるパワー半導体素子ないしそれから組み立てられた、外部の電力接続部（強電流接続部、Starkstromanschluesse）を備えるモジュールプレート（モジュール小板、Modulplaettchen）の耐久性のある且つ一様な機能信頼性(Funktionssicherheit)によって定められる。すべての二次的な結合エレメントのオーム接触(ohmscher Kontakt)及び作動中に生じる損失熱の冷却エレメントへの良好な搬出は、押圧接触実施における信頼できる長時間品質（長持ちする品質、Langzeitqualitaet）のための逃れることのできない前提条件である。
【００１３】
確実な押圧接触は、それぞれの作動状態で、一方では過大な電気的な及び熱的な接触抵抗(Uebergangswiderstaende)の回避のためにあるいは他方では押圧変形（圧縮変形、Druckdeformierungen）の回避のために、所定の、常に設定された範囲に維持される押しつけ力を要求する。そのために、蓄圧器の投入が必要である。
【００１４】
一方では、すべての接触箇所における電気的に確実な接触が必要とされる。従って、組み立て要素によって一様な圧力発生が達成されねばならない。つまり、すべての押圧接触箇所への好適な圧力分散が行われねばならない。他方では、それぞれの個々の接触箇所での弾性的な（弾性支持する）結合の使用の場合に、互いに異なった熱的な及び電気的な負荷の際の押圧接触エレメント及び個々の押される接触箇所のダイナミックな挙動が引き起こされねばならない。押圧接触エレメントのエージングは、回避されねばならない。それは、本発明に係る構造によって実現される。
【００１５】
さらに、電気的な絶縁能力のために合成物質から製造される圧力を与えるケーシングあるいはブリッジエレメントの、特に変動する温度負荷の際の、可塑的な挙動と、弾性的な特性を備える電気的に伝導性の材料との間の矛盾が解決されねばならない。押圧するシステムの構造エレメントとしての異なる材料の必要な使用によって、そのほかに、異なる膨張が生じる。
【００１６】
従来技術により知られている二つの材料（金属及び合成物質）の組み合わせが、カプセルに入れられた回路装置の製造のための応用における目的に合わされた解決策をもたらす。その際、金属の材料を射出成形被覆するための方法及び簡単な組み合わせが同様に従来技術と見なされる。なぜなら、このテクノロジーは普及して多くの製品に再びあらわれるからである。
【００１７】
本発明は、合成物質で覆われる（包まれる）金属のコンポーネントとして鋼を使用する。鋼の造形は、課題に関連づけられて非常に多様である。ケーシングないし圧力を与えるブリッジエレメントに関連づけられた、合成物質を用いての平坦な包み込みのための及び電気的な接続エレメントの絶縁されたダクト(Durchfuehrungen)を作り出すためのブレークスルーを備える平面の（平たい）あるいは部分的に平面の造形は、打ち抜き技術でコスト安に製造され得る、且つパワークラスの回路装置における使用のために非常に有利である。
【００１８】
鋼は、それの本発明に係る使用のために立体的な整形を与えられ得る。それによって、平面の安定性が高まる。また、それは、合成物質との安定な形状拘束的な結合（形状拘束とは、一般的にいうと、二つの部材の結合方式であって、結合させられるべき部分が対応する形状によって構成されており、それによって両方の部材の互いに対しての運動が可能でなく、すなわちあそびなく、且つその結果として力あるいはトルクが一方の部材から他方の部材へ伝えられ得る結合方式のことである。）のためのノブ（ナップ）及び突起を与えられる。合成物質としては、実際は、たいてい無機フィラーを比較的に高い割合で含む有機ポリマーが非常に適することが実証されている。その際、合成物質の選択は、経済的な観点と並んで、その電気的な絶縁能力及び外的な影響に対しての機械的な継続不変性（Dauerbestaendigkeit）により決められる。当該合成物質は、それの特性において最小の特に圧力により引き起こされる形状変化しか有さない必要がある。
本発明の複合材料（コンポジット材料、Verbundmaterial）の使用によって、プレッシャーコンタクティングが装置の全体の作業時間にわたっての継続負荷（連続負荷）あるいは変動負荷（交代負荷）(Dauer- oder Wechselbelastung)の際に取りたてていうほど疲労しないことが保障されている。その際、当該鋼はその内部の構造において、温度に従っての変動負荷の際に比較的高い温度での合成物質の軟化によって弱まる押圧力ないし引張力が補償されるように構成されている。
【００１９】
温度により引き起こされる曲げ力(Biegekraefte)は、狭い許容差範囲で、すべての作動状態で必要な押しつけ圧力をもつすべての押圧接触箇所にて、それぞれの個々の接触箇所が確実に接触され且つ各接触箇所での発生させられる過大な圧力負荷によって構造の機械的な破壊が行われないように構成される必要がある。
内部の圧力補償のため及び押圧エレメントのクッション効果（緩衝作用、Pufferung）のために従来技術に従って説明されているもののようなクッションエレメントが使用される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の思想を図面をもとにして具体的に説明する。
図１は、本発明の押圧プレートの横断面のスケッチであり、
図２は、このコンポジット（複合材）のための応用例を立体的な図示で示しており、
図３は、図２に示すものの構造横断面を示す。
【００２１】
図１は、本発明の押圧プレート(Druckplatte)９の横断面のスケッチである。エレクトロニクスの分野において要求される特性を備えるこの分野において知られている合成物質１が、射出成形（Spritzverfahren）で金属コア(Metallseele)２を被覆する。その際、合成物質１は、フィラー（Fuellstoff）を有するあるいは有さないさまざまな有機化合物から形成され得る。合成物質として、ポリブチレンテレフタラート(Polybutylentherephthalat)（商品名クラスティン(Crastin)）、ポリフェニルエーテル(Polyphenylaether)（商品名ノリル(Noryl)）、ポリフェニルサルファイド(Polyphenylsulfid)（商品名リトン(Ryton)）あるいはポリアミド(Polyamid)（商品名ウルトラミド(Ultramid)）がすばらしく適している。合成物質１は、内部構造の方へ向けられた側に圧力伝達のための押圧ノブ（押圧ナップ、Drucknoppen）をもっているとよい。
【００２２】
合成物質１におけるフィラーは、金属コア２を射出成形により当該合成物質で被覆した後の望まれる特性に依存している。総重量に対する０％〜５０％の割合のフィラーにより、パワー半導体回路装置(Leistungshalbleiterschaltungsanordnungen)のためのケーシングエレメントあるいはブリッジエレメントの構成（構造、デザイン）における非常によく再現可能な特性が獲得される。混合物の定義（決定）は、形状剛性及び曲げ剛性(Form- und Biegefestigkeit)、押圧安定性並びにかたさに応じた要請により左右される。
【００２３】
金属コア２は、各使用状況に応じて大きな変動幅で製造される。全ての実施形態に共通なことは、合成物質１での確かな且つ安定性のある被覆を可能にする、ノブ（ナップ、Noppen)、マウンド（壁、防御物、Waellen)あるいはパンチングツールによってなされた三次元的な突起部（Stanzausbuchtungen）を備えるそうでなければ平たい板材形状（シート形状）のそのような表面造形である。金属コアのジオメトリー（幾何学、形状及び大きさ、Geometrie）は、二つの主要グループに類別され得る。一方は、全体寸法に関しての完全に平たい広がりを備え、他方は、合成物質の広がりサイズに関しての部分的な立体的な広がりを備える。
そこから結果として生じる多様さは、全ての変形例において示されなくてもよい。
【００２４】
金属コア２は、異なった熱膨張率を有する異なった材料から形成され得る。比較的に経済的であり且つ実証済みのテクノロジーによって生産され得るものは鋼である。かたさについてもその材料厚さ（Materialstaerke）についても要求されるものが再現可能に作り出され得る。再現可能な変化の幅は、全ての予測される使用例について押圧部分(Druckstuecke)あるいはケーシング構造に関して厳密に製造可能な金属コアを提供する。
【００２５】
合成物質１は、本発明により、複数且つ別種の構成を与えられる。スリーブ３によって、その上方に配置される別の回路部材との後のねじ締め固定が可能である。金属コア２に対して絶縁されたダクト（フィードスルー、Durchfuehrungen）４によって、コンタクトピン(Kontaktstifte)が絶縁されて押圧プレート９を通って案内され得る。絶縁距離の増大のために、合成物質からなる両側で延長されたスリーブ５が実現されているとよい。後の組み立ての際に各圧力作用点を備える厳密に定められた幾何学的な装置を実現するために、同様に、一方の側あるいは両方の側に、合成物質からなるノブ（ナップ、隆起部）６が仕上げられている。容易な且つ幾何学的に精確なポジショニングを実現するために、それの拡張において、拘束鉤７が成形され得る。
【００２６】
図２は、コンポジット（複合材、コンバインドプラスチック、Verbundstoff）についての使用例を立体的な図で示す。機能を果たす能力のあるユニットに対する各部材の協働がスケッチされる。三つの互いにぴったりと合ったモジュールからなる三相のコンバータ（インバータ、変圧整流器、周波数チェンジャー、Umrichter）がその外見の造形において示されている。実際のコンバータは、ケーシング８によって機械的に且つ気候的に外的影響から保護されている。供給ないし負荷電流接続部１１がわきに配置されている。
【００２７】
すでに述べた押圧プレート９によって、主電流接続部１１が内部のコンバータ構造の押圧接触箇所に押しつけられる。必要な面圧力は、小さい値の場合にはノブによって、中間の面圧力及びより大きな面圧力の場合にはねじ締め固定によって発生させられる。コンバータの制御（作動させる）及びコントロール測定(Kontrollmessungen)のためのすべての残りの接触接続部は、すでに述べたスリーブ３、４、５を通ってコンバータの対応して形成された接触箇所へ案内される。押圧プレート９上には、コンバータのドライバー１０が直接置かれる。その際、スリーブ３、４、５が、またノブ６も、ドライバー１０の精密なコンタクティング（接触させる）及び精確な位置のために実現されている。
【００２８】
図３は、図２に示すものの構造横断面を示す。相応の補助接続部のダクトのための相応のスリーブ１３及び押圧エレメント１２を備えるコンバータのケーシング８が示されている。それぞれその上に、ここではその輪郭についてだけスケッチされた押圧プレート９及びドライバー１０がポジショニングされている。
【００２９】
ケーシング８内のコンバータの回路構造は、可能な部分的な並列接続において複数のパワー半導体素子から、特にIGBTあるいはMOSFETのような複数のスイッチからなる。それらは、フリーホイーリングダイオードとともに逆並列接続においてハーフブリッジ(Halbbruecken)、パワーコンバータ(Leistungsumrichter)のための入力整流器(Eingangsgleichrichter)あるいは出力整流器(Ausgangsgleichrichter)であることが可能である。それらのパワー素子は、ろう付けによって物質拘束的(stoffschluessig、ここで物質拘束的とは二つの部材の間に他の材料（物質）が与えられることによって、すなわち例えばろう付け、粘着によって、これらの部材の互いの結合を固定すること)にあるいは物質束縛的に (stoffbuendig、ここで物質束縛的とは、例えばねじ結合を用いての外的な圧力によって（平面の）接触がつくりだされることである。しかしながら、その際、ろう付け、粘着などによる結合は行われない。)で絶縁プレート１４の対応する領域に且つ重なり合って回路に適合して取り付けられている。
【００３０】
絶縁プレート１４として適当なセラミックスを選択すると、その下にポジショニングされる冷却装置への好適な熱搬出が可能である。ケーシングは、その容積において、コンバータの運転パラメータの検知のためにきわめて有利に使用されるようなセンサー１５のための場所を提供する。負荷接続部の固定及び外部のパワー電流コネクター（エレクトリックパワーコネクター、Kraftstromverbindern）へのそれの接続のために、ケーシング８にねじ締め固定による固定のための相応の構成部（構造部）１６が設けられている（組み込まれている）。
【００３１】
押圧プレート９とケーシング８との間には、ダイナミックな（動的な）圧力負荷の箇所に蓄圧器（プレッシャーリザーバ、Druckspeicher）１７が、例えばシリコンゴムの形でポジショニングされている。すでに述べた拘束部７は、互いに対しての部材の厳密な位置をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押圧プレートの横断面のスケッチである。
【図２】このコンポジット（複合材）のための応用例の立体的な図である。
【図３】図２に示すものの構造横断面図である。
【符号の説明】
１ 合成物質被覆
２ 金属コア
８ ケーシング
９ 押圧プレート
１０ ドライバー
１１ 主電流接続部
１２ 押圧エレメント
１４ 絶縁プレート

Claims (5)

1. ドライバー（１０）と、少なくとも一つのケーシング（８）と、押圧プレート（９）とを有する、プレッシャーコンタクティングにおけるコンバータにして、
   前記ケーシング（８）内には電気的に絶縁されたベースプレート（１４）が配置されていて、当該ベースプレート（１４）上にはパワー半導体回路装置が形成されていて、
   前記押圧プレート（９）が、前記ケーシング（８）上に載置されていて、一定の圧力を、一方では前記ベースプレート（１４）を冷却体上に配置して熱的に伝導性をもって接触させるためにこの圧力を伝達する前記ケーシング（８）の押圧エレメント（１２）に対し、他方では前記ベースプレート（１４）の接触面と当該コンバータの主電流接続部（１１）を電気的に伝導性をもって接続させるために当該主電流接続部（１１）に対して加えるものとして用いられる、前記コンバータにおいて、
   前記ドライバー（１０）が直接的に前記押圧プレート（９）上に配置されていること、及び、
   前記押圧プレート（９）が、平面的な金属コア（２）とこの金属コア（２）の全体を包み込む合成物質被覆（１）とからなる複合材であること
   を特徴とするコンバータ。
2. 前記金属コア（２）が、前記押圧プレート（９）の平たい広がりの全体面あるいは少なくとも部分的な面を満たし、且つさまざまなジオメトリーをもつ隆起部及び／又は空所のような表面における構成部を有することを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ。
3. 前記合成物質被覆（１）が、フィラーを伴わないあるいは全体質量の５０％までの無機フィラーを伴う有機ポリマーであることを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ。
4. 前記合成物質被覆（１）が、ポリブチレンテレフタラート、ポリフェニルエーテル、ポリフェニルサルファイド、あるいはポリアミドであることを特徴とする、請求項３に記載のコンバータ。
5. 前記金属コア（２）が鋼合金であることを特徴とする、請求項２に記載のコンバータ。

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