JP5548525B2 - 冷却装置を備えて成る電流コンバータ装置構造を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置を備えて成る特定の電流コンバータ装置構造を製造する方法に関するものである。この種の電流コンバータ装置構造は、上方にパワー半導体モジュールを配した冷却装置として知られている。この種のパワー半導体モジュールの電流コンバータ回路は通例、第１導体パスを有する少なくとも１個の基板から成っている。前記第１導体パス上にパワー半導体コンポーネントが配され、相互連結され、外部端子に接続されている。

上記タイプのパワー半導体モジュールは例えば特許文献１から公知である。ここに開示されたパワー半導体は、回路に応じるように配置された導体パスを備えた少なくとも１個の基板を有し、パワー半導体コンポーネントとスペーサ要素とが前記導体パス上に配置されている。これら要素は、それぞれ間に配された電気絶縁のフォイル層を備えた少なくとも２つの金属フォイル層で成る交互フォイル集合に導電的に接続されている。このために、当該フォイル集合は接触こぶとプレート貫通穴とを有する。当該フォイル集合は超音波溶接によってパワー半導体コンポーネントやスペーサ要素に導電的に接続されている。

この種のパワー半導体モジュールは通例、形状拘束的でなく摩擦係合的／密着係合的に冷却装置上に配置されている。パワー半導体モジュールと冷却装置の間のねじ結合又はクランプ結合は通例、このためにもたらされている。この種の摩擦係合乃至密着係合的な結合の場合、たいてい熱伝導層が結合対の間に設けられている。しかしながら、そのために用いられる熱伝導ペーストは、金属、特に銅やアルミニウムに比べて熱伝導度が低い。

ＤＥ１０３５５９２５Ａ１

本発明の課題は、冷却装置への熱移動が特に効果的になされる電流コンバータ装置構造の製造方法と有利な形態を提供することである。

上記課題は、本発明にしたがって、請求項１の特徴を備える方法によって解決される。好適な実施形態が従属請求項に記載されている。

本発明のコンセプトは、有利には冷却装置と少なくとも１つの電流コンバータ回路を有する製造されるべき電流コンバータ装置構造に基づいている。この場合における冷却装置は、それ自体で、主要面の少なくとも１つの平坦部分とこれとは反対側にある複数の冷却手段とを有する金属成形体で成っている。

前記少なくとも１つの電流コンバータ回路は、それ自体で、複数の第１導体パスを有する少なくとも１つの基板で成っており、少なくとも１つのパワー半導体コンポーネントが少なくとも１つの第１導体パス上に配置され、回路に応じて接続装置を用いて少なくとも１つの他のパワー半導体コンポーネント及び／又は少なくとも他の第１導体パスに接続されている。接続装置が少なくとも１つの電気絶縁フォイルと１つの導電フォイルから形成されているのが有利である。

可能な限り、電流コンバータ回路の全ての導電性密着接続は、従来技術にしたがう加圧焼結接続として形成される。本発明によれば、ここで電流コンバータ回路はまた冷却装置に密着接続する。このために、電流コンバータ回路のそれぞれの基板の、冷却装置の主要面のそれぞれ割り当てられた平坦部分に対する接続は、加圧焼結接続として形成される。

金属成形体を備える冷却装置を備えて成り、かつ電流コンバータ回路の別のコンポーネントを配置することができる少なくとも１つの基板を備えて成る、この種の電流コンバータ装置構造の製造は、一連の以下の本質的な方法ステップによって特徴付けられる。
・冷却装置を収容するための凹部を有する加圧焼結装置の被加圧部を設けるステップであって、前記凹部が冷却装置のメス型として形成されているステップ；この場合、凹部はメス型として冷却装置を完全にシミュレートしなければならないわけではない。冷却装置の故意でない撓ませが十分な程度で保証されるように凹部が作られていれば十分である。
・被加圧部内に冷却装置を配置するステップ；この場合、冷却装置の主要面の平坦部分が被加圧部の主要面と同一平面であったり、当該主要面と一直線になっている必要はない。
・電流コンバータ装置構造の少なくとも１つの基板を冷却装置の主要面の割り当てられた平坦部分上に配置するステップであって、基板と冷却装置のそれぞれの接触面が各々、接続されるべき領域にて焼結可能な表面を有し、適切な堅牢度の焼結金属を接続されるべき前記領域の間に配置するステップ；
・加圧焼結接続を形成するために基板と冷却装置に圧力と熱を導くステップ。これによって高い熱伝導率、即ち焼結金属の高い熱伝導率を有する密着接続が生み出される。更に、この種の加圧焼結接続は、可能性として代替的な溶接接続と比べても、非常に長期にわたって安定している。

この方法に関連して、中に配置された冷却装置が圧力の作用下で前記冷却装置の主要面に関して凹状に変形するように、冷却装置の、メス型を形成する凹部が構成されていれば、特に有利である。特に、冷却装置が、主要面の平坦部分）の割り当て線形範囲に対して２％を越えないように変形されるべきである。加圧焼結プロセスの前と間での冷却装置のこの窪んだ予めの湾曲によって、圧力と温度の影響の終了後に、主要面の平坦部分が著しく凹でも凸でもない湾曲を有さないことが達成される。

更に、パワー半導体コンポーネントと更なる接続装置とが基板が冷却装置に接続された後にのみ基板上に配置されるならば、好ましいであろう。しかしながら、基板が冷却装置に接続される前に、パワー半導体コンポーネントと関連の接続装置とが既に基板上に配置されていれば、製造工学に関してより一層効果的である。

特に基板と冷却装置の間の加圧焼結接続が広い範囲におよぶ場合において、金属成形体が特に弾性率の低い金属材料の異体（バリアント）から形成されているならば、特に好ましい。なによりも、少なくとも９９％の純度を有する純粋なアルミニウムか、熱処理された銅が、このために上記金属材料として好適である。

本発明の概念を、図１〜３の実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

本発明に係る方法によりもたらされる電流コンバータ装置を示す図である。 電流コンバータ装置構造を製造するための本発明に係る方法の第１実施形態のステップを示す図である。 電流コンバータ装置構造を製造するための本発明に係る方法の第２実施形態における図２に従うステップを示す図である。

図１は、実寸大ではないが本発明に係る方法によりもたらされる電流コンバータ装置構造を示している。当該電流コンバータ装置構造は、多数の冷却手段（１２）とこれらの冷却手段（１２）の反対側で２つの平坦部分（１６、１８）を有する主要面（１４）とを備えて成る冷却装置（１０）から構成されている。冷却装置（１０）自体は、少なくとも９９％のアルミニウム含有率を有する純粋なアルミニウムから構成されている。この純粋なアルミニウムは、冷却装置に通常使われるアルミニウム合金と比べて、２０％以上低い弾性率／剪断弾性率を有している。純粋なアルミニウムの代わりに、熱処理された銅や、相応して適切な低弾性率を有する他の金属材料を使用することも使用可能である。

前記平坦部分（１６、１８）には、それぞれ割り当てられた基板（３０ａ／ｂ）が密着して配置されており、これらの基板は、電流コンバータ装置（２０）の、それぞれの前記主要面上にある絶縁材料体（３２）と導体パス（３４ａ／ｂ、３６）とから構成されている。この密着性の結合部は、高い熱伝導率を有している加圧焼結結合部（６０）である。同時にまさにこの加圧焼結結合部（６０）は、純粋なアルミニウムから成る冷却装置（１０）の上記形態との組み合わせで、作動中の既知の温度変化の場合にも、特に高い耐久性を有している。

電流コンバータ装置（２０）はそれぞれの基板（３０ａ／ｂ）から構成され、これら基板はそれぞれ、冷却装置（１０）と反対側に多数の第１導体パス（３４ａ／ｂ）を有している。第１基板（３０ａ）には、これら導体パス（３４ａ）のうちの１つにパワー半導体コンポーネント（５０）が配されている。このパワー半導体コンポーネント（５０）は、同じ基板（３０ａ）の別の第１導体パス（図示せず）と、第２基板（３０ｂ）の導体パス（３４ｂ）とに、回路に応じて（回路適合するように）接続されている。

この回路に応じた導電接続のために接続装置（４０）が設けられ、この接続装置（４０）はここでは交互に積層配置されている電気絶縁部（４４）と２つの導電フォイル（４２、４６）とから形成されている。この接続装置（４０）は、同様に別のパワー半導体コンポーネント（図示せず）に対する接続に供され得る。パワー半導体コンポーネント（５０）と第１導体パス（３４ａ／ｂ）とに対する接続装置（４０）の導電性接続もまた加圧焼結結合部（６０）として形成されていると有利である。

図２と図３にそれぞれその部分ステップが描かれているそれぞれの加圧焼結結合部（６０）の製造のために、それぞれの接続相手、即ち、基板と冷却装置の平坦面の接続面（６２）は適切な表面を有している。従来技術によれば、これらは貴金属表面であり、これら貴金属表面の間に、焼結金属部（６０）が従来技術に従って配されている。

図２は、電流コンバータ装置構造（２０）を製造するための本発明に係る方法の第１実施形態のステップを示している。描写は、加圧焼結装置の被加圧部（７０）における概略的にのみ示された基板（３０）を有する冷却装置（１０）の配置を示している。加圧焼結結合部自体と関連して圧力を導くための圧力装置のような更なる部分は、ここでは図示されていない。本発明によれば、冷却装置（１０）はここでは主要面（１４）に平坦部分（１６）を有し、この平坦部分（１６）に基板（３０）が更なるコンポーネントなしに配されている。冷却装置（１０）の金属形成体（１００）は更に、プレート状の部分体（１０２）と、この部分体（１０２）に接して主要面（１４）と反対側に多数の冷却手段（１２）とを有している。これら冷却手段（１２）は従来技術に従って形成されている冷却フィンであり、滑らかな表面かしわの付いた表面を有している。冷却手段（１２）の間で、形成体（１００）が平坦な中間面（１０４）を有している。

冷却装置（１０）の成形体（１００）を収容するために、被加圧部（７０）が凹部（７２）を有している。凹部はここでは、冷却装置（１０）が被加圧部（７０）から部分的に突き出るように形成されている。被加圧部（７０）は更に、成形体（１００）の中間面（１０４）の方向に突き出る脚柱（７６）の頂側を形成する多数の支承面（７４）を有している。圧力が冷却装置（１０）の成形体（１００）上にかかると、中間面（１０４）は支承面（７４）上の位置するようになる。

冷却手段（１２）は被加圧部（７０）の、脚柱（７６）の空間を形成する、凹部（７２）の受容部に突き出て、前記空間のエッジ部（７８）や底部（８０）には接触していない。

支承面（７４）が冷却装置（１０）の主要面（１４）に平行な少なくとも一方の側方方向において、好ましくは両方の側方方向において断続した凹面を形成するように、被加圧部（７０）が構成されているのが有利である。したがって、被加圧部（７０）の凹部（７２）は冷却装置（１０）の成形体（１００）を収容するためにメス型を形成する。その際、圧力作用下で、成形体は成形体の主要面（１４）に関して凹状に変形する。この場合において、この変形は可能な限り２％以下であるように、即ち、変形領域の中心で屈曲（Ｄ、図３参照）が基板（３０）の配置された第１主要面（１４）の平坦部分（１６）の線形範囲（Ｌ、図３参照）の２％を越えないように考慮されなければならない。

変形性を保証するために、少なくとも９９％、より好ましくは９９．５％の純度を有する純粋なアルミニウムや、熱処理された銅が冷却装置（１０）の成形体（１００）の材料として用いられる。これら材料が用いられる場合にとりわけ、大きな面の加圧焼結結合部（６０）が、使用条件によって変化する動作温度下でのパワー半導体モジュールでの使用にとって特にしっかりしており、特に熱伝導性のペーストと比べて優れた熱伝導性を有する。

図３は、電流コンバータ装置構造を製造するための本発明に係る方法の第２実施形態における図２に従うステップを示している。この場合において、描写は再び、加圧焼結装置の被加圧部（７０）の凹部（７２）に配された冷却装置（１０）の成形体（１００）を断面と付加的な平面とで示している。凹部（７２）のこの実施形態のメス型は、外側平坦面部分（８４）と中央凹面部分（８６）とを備えたベース面（８２）を有する。この場合において、凹面部分（８６）はベース面（８２）で中央に位置することは必須ではない。更に、凹面部分（８６）の表面は、平坦面部分（８４）から凹面部分（８６）への連続的な移行を可能にするために、球面に構成されていない。

冷却装置（１０）の成形体（１００）はまた、プレート状の部分体（１０２）と、この部分体（１０２）に接した複数の冷却手段（１２）とを有しており、複数の冷却手段は、必須ではないが最も簡単な場合、すべて同じ長さを有する。成形体（１００）の他の幾何学的形態のために、被加圧部（７０）の凹部（７２）のベース面（８２）は相応して適合可能である。更に、電流コンバータ回路（２０）は冷却装置（１０）の主要面（１４）の平坦部分（１６）上に配設されており、概略的に示されている。電流コンバータ回路（２０）は、図１を参照すると、冷却装置（１０）から離れた側に多数の導体パス（３４）を有する。パワー半導体コンポーネント（５０）は前記導体パス（３４）に配され、相互に及び／又は他の導体パスに、回路に応じて接続されている。この接続は上記した接続装置（４０）によって形成されている。

製造ステップがまた、圧力適用なしに示されている。即ち、冷却装置（１０）の成形体（１００）の主要面（１４）が平坦である。電流コンバータ回路（２０）を介して冷却装置（１０）に圧力を加えると、前記冷却装置はメス型の形状基準にしたがう。冷却装置（１０）の成形体（１００）が特に低い弾性率を有していれば、この目的のために特に有利である。これらの条件に純粋なアルミニウムが特に合っている。

この場合において、変形範囲の中央における屈曲乃至撓み（Ｄ）が第１主要面（１４）の平坦部分（１６）の線形範囲（Ｌ）の２％を越えないように圧力作用下での変形がメス型によって画定されることが今一度考慮されなければならない。

１０ 冷却装置
１２ 冷却手段
１４ 主要面
１６，１８ 平坦部分
２０ 電流コンバータ装置
３０ａ／ｂ 基板
３２ 絶縁材料体
３４ａ／ｂ，３６ 導体パス
４０ 接続装置
４２，４６ 導電フォイル
４４ 電気絶縁部
５０ パワー半導体コンポーネント
６０ 加圧焼結結合部
６２ 接続面

Claims (7)

1. 主要面（１４）の少なくとも１つの平坦部分（１６，１８）と複数の冷却手段（１２）を有する金属成形体（１００）を備える冷却装置を備えて成り、かつ電流コンバータ回路（２０）の別のコンポーネント（５０）を配置することができる少なくとも１つの基板（３０ａ／ｂ）を備えて成る電流コンバータ装置構造を製造する方法において、連続する次の本質的な方法ステップ、すなわち、
   ・冷却装置（１０）を収容するための凹部（７２）を有する加圧焼結装置の被加圧部（７０）を設けるステップであって、前記凹部（７２）が冷却装置（１０）のメス型として形成されているステップと、
   ・被加圧部（７０）内に冷却装置（１０）を配置するステップと、
   ・電流コンバータ回路（２０）の少なくとも１つの基板（３０ａ／ｂ）を冷却装置（１０）の主要面（１４）の割り当てられた平坦部分（１６，１８）上に配置するステップであって、基板（３０）と冷却装置（１０）のそれぞれの接触面（６２）が各々、接続されるべき領域にて焼結可能な表面を有し、適切な堅牢度の焼結金属（６０）を接続されるべき前記領域の間に配置するステップと、
   ・加圧焼結接続を形成するために基板（３０ａ／ｂ）と冷却装置（１０）に圧力と熱を導くステップと、
   を有する方法。
2. 中に配置された冷却装置（１０）が圧力の作用下で前記冷却装置の主要面（１４）に関して凹状に変形するように、被加圧部の、メス型を形成する凹部（７２）を形成する、請求項１に記載の方法。
3. 冷却装置が、主要面（１４）の平坦部分（１６，１８）の割り当て線形範囲（Ｌ）に対して２％を越えないように変形される、請求項２に記載の方法。
4. パワー半導体コンポーネント（５０）と別の接続装置（４０）とが、基板の冷却装置（１０）との接続後に、当該基盤（３０）上に配置される、請求項１に記載の方法。
5. 基板（３０）上に、当該基板（３０）が冷却装置（１０）に接続される前に、既に少なくともパワー半導体コンポーネント（５０）が配置されている、請求項１に記載の方法。
6. 金属成形体（１００）が、特に弾性率の低い金属材料の異体から形成される、請求項１に記載の方法。
7. 金属材料が少なくとも９９％の純度を有する純粋なアルミニウムか、熱処理された銅である、請求項６に記載の方法。

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