JP6748082B2

JP6748082B2 - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP6748082B2
Application number: JP2017536320A
Authority: JP
Inventors: ロフタンデルミカ; パーヤネンレービ; シーボタパニ; ヨルティッカアンティ; イリシウルアハンヌ; パーソネンエマ; モントネンユルキ
Original assignee: Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto
Current assignee: Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2035-12-30
Also published as: WO2016113461A1; US10262921B2; CN107408512A; EP3245671A1; KR20170101944A; JP2018502460A; FI127831B; US20180012822A1; FI20155031A

Description

本開示は、概して、電気デバイス、例えばパワーエレクトロニクスデバイスの温度管理に関する。特に、本開示は、限定されるものではないが例えば電気変換器の基本構成ユニットに適した半導体モジュールに関する。さらに、本開示は、半導体モジュールを製造するための方法に関する。

ベースプレート、カバー要素及び一つ以上の半導体要素を備える半導体モジュールを、例えば周波数変換器、整流器及びネットワーク変換器のような様々な電気デバイスの主回路構成要素として使用することができる。上述された半導体要素は、例えば、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、ダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）又はその他の種類の半導体要素であり得る。上述された種類の半導体要素が電流を伝導するとき、半導体要素の内部抵抗によって熱が生成される。加熱速度が利用可能な熱放散量を超えると、温度上昇が電気的挙動の変化に影響し、この結果、検討中の半導体要素に熱的損傷が生じるおそれがある。このため、半導体要素のための十分な温度管理、この場合には冷却を提供することが重要である。

上述された種類の半導体モジュールのための熱管理機構は典型的にはヒートシンク要素を備え、半導体モジュールは、半導体モジュールのベースプレートがヒートシンク要素の平面に当たるようにヒートシンク要素に取り付けられる。ヒートシンク要素は、熱を外気に伝導するための冷却フィン、及び／又は、熱伝導流体、例えば水を伝導するためのダクトを備えてもよい。しかしながら、上述された種類の熱管理機構には難題が存在する。難題の一つは半導体モジュールのベースプレートとヒートシンク要素との間の接合に関する。十分且つ信頼性の高い熱管理を提供するためには、上述された接合の熱抵抗をできるだけ低くするべきである。さらに、単位面積当たりの熱伝導率（Ｗ／Ｋｍ²）をベースプレートとヒートシンク要素との間の接合範囲に偏在させることができる。熱伝導率の分布は確率的な性質を有し、熱伝導率の極小値がベースプレートの熱い場所（hot spot）に生じるときに最悪の状況が起きる。ベースプレートからヒートシンク要素への熱伝導は、ギャップ充填材料、例えばベースプレートとヒートシンク要素との間のシリコーンペーストを使用することによって少なくとも幾分伸びることができるが、ギャップ充填材料の経年劣化が問題となることがある。

様々な本発明の実施形態のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略化された概要が以下に提示される。この概要は本発明の広範な要旨ではない。本発明の要所又は重要な要素を特定することも、本発明の範囲を説明することも意図していない。以下の概要は、本発明の例示的な実施形態のより詳細な説明の前置きとして、単に、本発明のいくつかの概念を簡略化された形態で提示する。

本発明によれば、必須でないが、例えば周波数変換器、整流器及びネットワーク変換器のような様々な電気デバイスの構成要素として使用することができる新規な半導体モジュールが提供される。本発明に係る半導体モジュールは、ベースプレートと、カバー要素であって、ベースプレートからカバー要素を取り外すことが材料の変形を必要とするようにベースプレートに取り付けられたカバー要素と、ベースプレート及びカバー要素によって制限された空間内の少なくとも一つの半導体要素であって、ベースプレートと熱伝導関係にある半導体要素とを備える。

半導体要素から離れて面するベースプレートの外面には、熱伝導流体、例えば水を伝導するのに適したレーザ加工溝が設けられる。このため、溝の表面は、熱伝導流体を伝導する経路の壁の一部を構成し、このため、熱伝導流体はベースプレートに直接接触している。このため、ベースプレートと、ベースプレートに当たり、実際には溝間の隆起部に当たり、上述された経路の壁の別の部分を構成する要素との間の熱接触は熱伝導流体がベースプレートに接触していない場合のような役割を果たさない。さらに、ベースプレートが溝を備えるので、熱伝導流体と接触しているベースプレートの熱伝導面は、ベースプレートの表面が平らである場合よりも大きい。さらに、熱伝導流体が、ベースプレートの熱い場所、すなわち、熱を発生する一つ以上の半導体要素に最も近いベースプレートの場所に効果的に向けられるように溝を設計することができる。大抵の場合、上述された半導体モジュールの熱管理が、単相熱管理、又は熱伝導流体が溝内で気化される二相熱管理のいずれかであり得ることに留意されたい。

本発明によれば、半導体モジュールを製造するための新たな方法も提供される。本発明に係る方法は、ベースプレートと、カバー要素であって、ベースプレートからカバー要素を取り外すことが材料の変形を必要とするようにベースプレートに取り付けられたカバー要素と、ベースプレート及びカバー要素によって制限された空間内の半導体要素であって、ベースプレートと熱伝導関係にある半導体要素とを備えた半導体モジュールを得るステップと、その後、半導体要素から離れて面するベースプレートの外面に、熱伝導流体を伝導するのに適した溝をレーザ加工するステップとを含む。

レーザ加工は、半導体モジュールが組み立てられた後に溝を作ることを可能とする。このため、レーザ加工は、通常の市販の半導体モジュールを本発明に係る半導体モジュールに改造することを可能とする。

本発明の多くの例示的且つ非限定的な実施形態が添付の従属請求項に記載される。

構成及び作動方法の両方についての本発明の様々な例示的且つ非限定的な実施形態が、本発明の追加の目的及び利点と共に、特定の例示的且つ非限定的な実施形態の以下の記載が添付の図面と併せて読まれると、最も良く理解されるだろう。

動詞「備える」及び「含む」は、本明細書において、列挙されない特徴の存在を排除も必要もしないオープンな限定として用いられる。従属請求項に列挙された特徴は、明示的に述べられない限り、相互に自由に組合せ可能である。さらに、本明細書を通して、「ａ」又は「ａｎ」、すなわち単数形の使用は複数を排除しないことが理解されるべきである。

図１ａは、本発明の例示的且つ非限定的な実施形態に係る半導体モジュールを示す。図１ｂは、本発明の例示的且つ非限定的な実施形態に係る半導体モジュールを示す。図１ｃは、本発明の例示的且つ非限定的な実施形態に係る半導体モジュールを示す。図２は、本発明の例示的且つ非限定的な実施形態に係る半導体モジュールの詳細を示す。図３は、半導体モジュールを製造するための本発明の例示的且つ非限定的な実施形態に係る方法のフローチャートを示す。

本発明の例示的且つ非限定的な実施形態及びこれらの利点が添付の図面を参照して例示の意味で以下により詳細に説明される。

図１ａは、本発明の例示的且つ非限定的な実施形態に係る半導体モジュールの断面図を示す。図１ｂは半導体モジュールの底面図を示す。図１に示された断面は、図１ｂに示されたＡ−Ａ線に沿っている。断面は座標系１９０のｘｚ平面に平行である。図１ｃは、図１ｂに示されたＢ−Ｂ線に沿った断面を示す。図１ｃに関する断面は座標系１９０のｙｚ平面に平行である。半導体モジュールはベースプレート１０１を備え、ベースプレート１０１は、ベースプレートを通した良好な熱伝導性を実現すべく、有利には、例えば銅及び／又はアルミニウムを含む金属から作られる。半導体モジュールはカバー要素１０２を備え、カバー要素１０２は、ベースプレートからカバー要素を取り外すことが材料の変形を必要とするようにベースプレートに恒久的に取り付けられる。半導体モジュールは、ベースプレート１０１及びカバー要素１０２によって制限された空間（room）に少なくとも一つの半導体要素１０３を備える。少なくとも一つの半導体要素１０３はベースプレート１０１と熱伝導関係にある。半導体モジュールは、半導体モジュールが一つのみの半導体要素を備えるように個別の半導体構成要素であり、又は半導体要素は、二つ以上の半導体要素を備える一体型システムである。半導体モジュールは、例えば、半導体モジュールが三相インバータブリッジの上部若しくは下部の主回路又は三相インバータブリッジ全体の主回路を構成するように、逆並列ダイオードを含む三個又は六個の半導体要素を備えてもよい。各半導体要素は、例えばバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）又は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のような制御可能な半導体要素であり得る。さらに、各半導体要素は、制御可能な半導体要素と逆並列ダイオードとの組合せであってもよい。半導体要素が単なるダイオードであることも可能である。ベースプレート１０１及びカバー要素１０２は、有利には、少なくとも一つの半導体要素のための気密封止（airtight encapsulation）を構成する。すなわち、少なくとも一つの半導体要素を含む空間は有利には密閉される。さらに、半導体モジュールは、半導体モジュールの主電流又は電流を伝導するための主電気端子を備える。半導体モジュールは、制御可能な半導体要素、例えばＩＧＢＴにおける半導体要素を制御するための一つ以上の制御端子を更に備えてもよい。図１ａでは、主端子の一つが参照番号１１０で示され、制御端子が参照番号１１１で示される。

半導体要素１０３から離れて面するベースプレートの外面１０４には、熱伝導流体、例えば水を伝導するために適したレーザ加工溝１０５が設けられる。溝１０５の幾何学的パターンが図１ｂに示される。この例では、ベースプレート１０１の外面に溝が設けられた範囲１０７が略長方形形状を有し、溝は長方形の範囲の長辺に略平行である。

図１ａ〜図１ｃに示される例示的な半導体モジュールでは、図１ｃに示されるように、溝は、丸みを帯びた底部輪郭を有する。丸みを帯びた底部輪郭は、相互に隣接する溝間の隆起部（ridge）が座標系１９０の負のｚ方向に先細になるという意味で有利である。このため、隆起部の幅Ｗは、隆起部の頂部に向かう負のｚ方向における各隆起部の熱の流れが最大となる隆起部の底部において最大となる。熱が、溝の壁を通して、すなわち隆起部の壁を通して、溝内を流れる熱伝導流体に伝導されるので、負のｚ方向における熱の流れは、隆起部の頂部に近付くと、より小さくなる。このため、図１ｃに示された隆起部の輪郭は、ベースプレート１０１から熱伝導流体への熱伝導の観点から有利である。溝は、有利には、幅ｗが２５μｍ〜２０００μｍの範囲であり且つ深さｄが２５μｍ〜２０００μｍの範囲である微小溝である。溝の製造及び熱伝導流体の流速の観点から、溝の幅ｗはより有利には１００μｍ〜８００μｍの範囲であり、溝の深さｄはより有利には１００μｍ〜８００μｍの範囲である。溝の幅ｗ及び深さｄは図１ｃに示される。

図１ａから図１ｃに示された例示的な半導体モジュールでは、溝１０５は、溝の総断面積の合計が各分岐において増加するように分岐している。分岐範囲の一つが図１ｂに参照番号１０９で示される。上述された態様で分岐している溝は特に二相熱管理と関連して有利であり、二相熱管理では、熱伝導流体が座標系１９０の正のｘ方向に溝内を流れ、熱伝導流体は溝内で気化され、このため熱伝導流体の体積が溝内で増加する。図１ａは、熱伝導流体を溝内に流す案内要素１１２の破線断面図を示す。熱伝導流体の到着が矢印１１３で示され、熱伝導流体の出発が矢印１１４で示される。

図１ａ〜図１ｃに示される例示的な半導体モジュールは熱伝導性の電気絶縁構造体１０８を備え、熱伝導性の電気絶縁構造体１０８は、半導体要素１０３と、半導体要素に面するベースプレート１０１の内面とに機械的に接触する。熱伝導性の電気絶縁構造体１０８は、例えば、シリコン、又は半導体要素１０３からベースプレート１０１への十分な熱伝導率を提供する他の適切な可撓性材料であり得る。

図２は、本発明の例示的且つ非限定的な実施形態に係る半導体モジュールの詳細を示す。図２は、半導体モジュールのベースプレートの表面上の溝の一部を示す。この例では、溝は、溝の第１の溝２０５ａから溝の第２の溝２０５ｂへの流れ抵抗が反対方向の溝の第２の溝２０５ｂから溝の第１の溝２０５ａへの流れ抵抗よりも小さくなるように、溝の第１の溝２０５ａと溝の第２の溝２０５ｂとの間の遷移領域２０６を備える。熱伝導流体の流れは図２に矢印で示される。図２から分かるように、遷移領域２０６は、座標系２９０の正のｘ方向における流れ抵抗が負のｘ方向における流れ抵抗よりも小さくなるように成形される。この特性は、この特性が、気化によって引き起こされる体積膨張によって熱伝導流体が溝内を逆流する傾向に対抗するので、特に二相熱管理と関連して有利である。

図３は、半導体モジュールを製造するための本発明の例示的且つ非限定的な実施形態に係る方法のフローチャートを示す。本方法は、方法段階３０１、すなわち、ベースプレートと、カバー要素であって、ベースプレートからカバー要素を取り外すことが材料の変形を必要とするようにベースプレートに取り付けられたカバー要素と、ベースプレート及びカバー要素によって画定された空間内の半導体要素であって、ベースプレートと熱伝導関係にある半導体要素とを備えた半導体モジュールを得るステップと、方法段階３０２、すなわち、その後、半導体要素から離れて面するベースプレートの外面に、熱伝導流体を伝導するのに適した溝をレーザ加工するステップとを含む。

溝は、有利には、幅が２５μｍ〜２０００μｍの範囲であり且つ深さが２５μｍ〜２０００μｍの範囲である微小溝である。より有利には、幅は１００μｍ〜８００μｍの範囲であり、深さは１００μｍ〜８００μｍの範囲である。

溝を設計するためのガイドラインは、レーザ加工の非理想性がガイドラインにおいて考慮されるように、有利には事前補正を含む。事前補正は、レーザ加工の非理想性が先験的に知られているという事実に基づく。

方法段階３０１において得られた半導体モジュールは市販の半導体モジュールであり得る。

上記に与えられた具体的な例は、添付の特許請求の範囲の適用性及び／又は解釈を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims

ベースプレート（１０１、２０１）と、
カバー要素（１０２）であって、前記ベースプレートから該カバー要素を取り外すことが材料の変形を必要とするように前記ベースプレートに取り付けられたカバー要素（１０２）と、
前記ベースプレート及びカバー要素によって制限された空間内の少なくとも一つの半導体要素（１０３）であって、前記ベースプレートと熱伝導関係にある半導体要素（１０３）と
を備えた半導体モジュールにおいて、
前記半導体要素から離れて面する前記ベースプレートの外面（１０４）に、熱伝導流体を伝導するのに適したレーザ加工溝（１０５、２０５ａ、２０５ｂ）が設けられ、
前記溝は該溝の第１の溝（２０５ａ）と該溝の第２の溝（２０５ｂ）との間の遷移領域（２０６）を備え、該遷移領域は、該溝の第１の溝から該溝の第２の溝への流れ抵抗が反対方向の該溝の第２の溝から該溝の第１の溝への流れ抵抗よりも小さくなるように成形されることを特徴とする、半導体モジュール。
溝が、丸みを帯びた底部輪郭を有する、請求項１に記載の半導体モジュール。
前記溝の幅（ｗ）が２５μｍ〜２０００μｍの範囲であり、前記溝の深さ（ｄ）が２５μｍ〜２０００μｍの範囲である、請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
前記溝（１０５）は、該溝の総断面積の合計が各分岐において増加するように分岐している（１０９）、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
前記ベースプレートの外面に前記溝が設けられた範囲（１０７）が略長方形形状を有し、前記溝は該長方形の範囲の長辺と略平行である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
熱伝導性の電気絶縁構造体（１０８）を備え、該熱伝導性の電気絶縁構造体（１０８）は、前記半導体要素（１０３）と、該半導体要素に面する前記ベースプレート（１０１）の内面と機械的に接触する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
前記ベースプレート及びカバー要素は前記少なくとも一つの半導体要素のための気密封止を構成する、請求項１〜６のいずれか１項に記載半導体モジュール。
前記半導体要素は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、ダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）及び金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の一つを備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
半導体モジュールを製造するための方法であって、
ベースプレートと、カバー要素であって、前記ベースプレートから該カバー要素を取り外すことが材料の変形を必要とするように前記ベースプレートに取り付けられたカバー要素と、前記ベースプレート及びカバー要素によって制限された空間内の半導体要素であって、前記ベースプレートと熱伝導関係にある半導体要素とを備えた半導体モジュールを得るステップ（３０１）と、
その後、前記半導体要素から離れて面する前記ベースプレートの外面に、熱伝導流体を伝導するのに適した溝をレーザ加工するステップ（３０２）と
を含む、方法。