JPH06507044A - 液冷式装置内の発熱器の配列構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、少なくとも２つの発熱器、特に電力半導体装置の配列に関し、この 配列は、電気的に絶縁された冷却液を用いて熱を発散する１段と、電気回路を形 成する手段と、を含んでいる。

いくつかの電力半導体スイッチング装置は、ドイツ公開公報３９１０４７０　弓 に開示されている。スイッチング装置は、特にこの公報の５番目の実施例に開示 されており、この実施例は、図２３及び２４に示され、明細書のコラム１４及び １５に開示され、液冷式電極を含んでいる。電極の間には複数の半導体チップが 配列され、このチップは平行に配列され、電極によって電気的に接続されている 。電極は、銅箔を直接接着することによって被覆された中空の窒化アルミニウム （ΔＩＮ）板から構成されている。チップは、電極の銅箔にはんだ付けされてい る。更に、電極は、絶縁ハウジングによって互いに接続されている。冷却液を伝 導するために外側に設けられるバイブ或いはチューブが電極上に接続され、後者 は共通の冷却装置から供給される。平行接続に代る異なる電気回路を実現するよ うな配列については開示されていない。

同様に、その液冷式電極が同様に外側に接続線を必要とする単一圧接型半導体装 置の配列は、ドイツ公開公報１９１２０４１号に開示されている。

電力半導体装置を電力半導体モジュール内へ配列することは、ドイツ公開公報第 ３６０４８８２号から公知である。このようなモジュールは、モジュール内で発 生した熱を発散するだめに、あらゆるタイプの冷却器上へねじ止めされる。公知 の冷却器は、例えば、空冷式の連続的に鋳造されたアルミニウム吸熱器或いは液 冷式プレート（冷却プレート）である。

移動する電力変ｔ！に器のウェハ型電力半導体装置の冷却には、例えばドイツ公 開公報第３７４０２３３号に開示された冷却セルが用いられている。この冷却セ ルの配列は、複合締付は装置によってＲＪられる圧接を必要とする。

吸熱器上への電力半導体モジュールの組立ては、モジュール下部から吸熱器の表 面への熱移動の改良のために、モジュール及び吸熱器の間に挿入されるとともに 小さな凸凹内に充填される熱伝導ペーストによって行われる。この処置は、高い 熱流密度を６する電力半導体装置からの熱消散を保証するために必要とされてい る。しかしながら、このような配列の層の連続において、熱伝導ペーストは、大 きな個々の熱抵抗の一部を構成する。

ドイツ公開公報第３６０４８８２号に開示されているような電気的絶縁構造を有 するモジュールが関係する場合、２番目に重要な個々の熱抵抗は、電気的絶縁層 によって引起こされる。このような電気的絶縁構造に関して必要とされる吸熱器 の絶縁を保証するために、０．６３ｍｍの層厚を有する基質の熱抵抗が熱伝導ペ ーストの熱抵抗と略等しいセラミック基質が用いられる。

史に、ドイツ公開公報第３６０４８８２号に開示されている電力半導体モジュー ルに関しては、装置によって発生された熱は、−側のみを介して、即ちモジュー ルの基板を介して消散される。このようなモジュールの電気的端子を介しての熱 消散はわずかである。高い電流によって、電線の結合或いは銅がはんだ付けされ たチップでさえ、装置に熱を与える程加熱される。

ドイツ公開公報第３９１０４７０号に始まり、この発明は、発熱器、特に電力半 導体装置の冷却のため、従来の配列構造の欠点及び制限を排除する配列構造につ いて詳細に述べるという目的に基づいている。

この目的は、少なくとも２つの発熱器、特に電力半導体装置の配列構造によって 達成される。

この配列構造は、 （ａ）電気的絶縁冷却液を用いて装置から熱を消散する手段と、 （ｂ）電線による接続を必要としない電気回路或いは回路部分を実現する手段と 、を有し、 （ｃ）セラミックから構成される電気的絶縁部分は、金属部分を介した直接接着 工法によって互いに接続され、（ｄ）機械的に接続された複数の構成要素及び更 なる構成要素は、はんだ付は可能な表面を有し、軟質はんだによって互いに接続 され、そして、以下に示す特徴を有する。

（ｅ）上記少なくとも１つの装置は、配列されるとともにモジュール内に密閉さ れ、このモジュールは、全体の配列によって分けられる、単一冷却液回路の冷却 液の伝導のための接続端子及びチャンネルと、金属電極と、 上記電極の間に配列され、金属処理された主表面、接続チャンネル、及び装置の ための少なくとも１つの切り欠き開口を何する電気的絶縁板と、を備え、 （ｆ）複数のモジュールは、電気的に絶縁された構成要素の挿入を伴い、及び構 成要素の更なる接続によって互いに接続可能であり、適切であれば、軟質はんだ 付けによって密集した配列を形成し、装置（３）の平行接続を構成しない電気回 路或いは回路部分の実現が可能になることを特徴とする。

効果的な実例が従属クレームに記載されている。

この発明によって提案された配列構造は、公知のモジュール配列、即ち熱伝導ペ ースト及びセラミック基質の最も重大な熱抵抗が熱流れから除去され、非常に強 い液冷を伴うキロワット級の電力低下でさえ消散できるという利点を有する。

装置からの熱消散は、２つの側に生じる。供給ラインは、装置内へいかなる追加 の電力低下も供給できない。それぞれ液冷式によって冷却される公知の配列構造 及びこの発明によって提案される配列構造を比較した結果、配列全体の体積及び 重さが減少される。配列構造は、自動化された製造設備によって（ｉ初に製造で き、全ての構成要素は、互いに重ねられて１回のはんだ付は操作で接続できる。

電極間に電気的な絶縁が必要であるにもかかわらず、１つだけに分割された冷却 液回路は、第１の電極から第２の電極への冷却液の電気的に絶縁された伝導によ って達成される。

シリコンウエハ、円形シーム、及びはんだ材料の積層配列に関する発展の１つと して、配列全体内へ予めはんだを備えること、或いは残りの構成要素の相互のは んだ付けすることのいずれか一方が積層配列のために可能になる。

冷却液供給ブロック及び絶縁板を用いてより広い配列の冷却回路内にモジュール を電気的に絶縁して挿入することに関しても更に適用してもよい。

本発明は、以下に図示された実施例を参照してより詳細に説明され、発展の更な る可能性が開示されている。

図１は、電力゛４−導体モジュールを示し、図２は、図１に示す装置及び電気的 絶縁プレートの詳細な説明図を示し、 図′うは、冷却液供給ブロックを有する電力半導体モジュールを小し、 図４は、２つの平行なダイオードを有する電力半導体モジュールを示し、 図５は、ダイオード半架橋を示し、 図６は、電力供給ユニットの部分的回路の回路図を示し、図７は、図１のモジュ ールに接続された図６の部分的回路を示している。

図１は、電力半導体モジュール１３に関するこの発明の配列の基本型を示し、こ の配列は、高い電力密度によって特色付けられている。

配列は、遮断開口（２）を有する電気的絶縁プレート１を含み、その中に発熱装 置３が備えられている。絶縁プレートｌは、例えば、良好なはんだ付は性を達成 するためにその上面及び下面４．５に金属的性質が与えられた酸化アルミニウム プレートから形成されている。絶縁プレート１に適した金属的性質の付与は、例 えば、銅箔６（図２参照）を直接接着することよってセラミックプレート１へ接 続することである。

冷却される装置３は、例えば、電力半導体装置或いは抵抗装置である。装置３の 表面６．７は、はんだ付けできるように形成されている。プレート１或いは装置 ３の上面４．６は、軟質はんだ８によって、例えば正電極としての上側電極９に 接続され、同様にプレート１或いは装置３の下面５．７は、負電極としての下側 電極１０に接続されている。電極９．１０は、好ましくは銅で作られ、冷却液１ ２の伝導のために空１Ｍ１１に互いに接続されている。原則として、分離冷却回 路が各電極に供給できる。しかしながら、冷却液が以下に示すようにモジュール １３内に導かれる単一冷却回路の構造が好ましい。冷却液は、冷却液人口１４か ら流入し、上側電極９の空洞１１を通過し、プレート１内の穴を通過するように 冷却液を導く接続溝１６及び下側電極１０の空洞１１を介して冷却液出［１１５ へ導かれる。

プレート１は、一方では、電極９．１０の間の機械的接続を製造するために用い られ、他方では、電極９．１０の間の電気的絶縁を保証するために用いられる。

プレート１の熱伝導率は、プレートが熱を伝達しないことから実質的には重要で はない。装置３から発生する熱は、はんだ材料８を介して電極９．１０へ伝達さ れる。熱伝達ペーストを伴う層はない。

冷却液１２としては、熱拡散に関連がある電気的絶縁特性をａする従来公知の水 、オイル、及び他の液体がある。

セラミックプレート１内の接続溝１６のための遮断開口２及び穴は、例えば、超 音波掘削によって製造され、回路基板材料の場合には、単純掘削或いは粉砕によ って製造される。

電極９．１０内の空洞１１は、例えば、湾曲型の冷却溝として形成され、電極が 銅製である場合、粉砕或いは鍛造によって製造される。

電極９．１０は、図１に示すように、２つの部分から構成され、一方の部分内に 冷却溝が形成され、軟質はんだ付け、硬質はんだ付け、或いは電子ビーム溶接に よって各部分が接続される。

図２は、図１の詳細な図を示し、即ち、プレート１及び装置３の可能な配列を示 している。プレート１は、例えば、両面上に３００μｍの厚さの銅箔１８が直接 接着された６３０μｍの厚さの酸化アルミニウムプレート１７である。装ｆ１３ は、例えば、３６０ｕｍの厚さの電力半導体ダイオード１９を備え、その上面に ５００μｍの厚さで及び下面に２５０μｍのＩ＋／さてショットキーダイオード としての円形のモリブデンシム２０を備えている。プレート１及び装置１３の厚 さは、正確に一致していなくともよい。例えば１．．２３ｍｍのプレート１の厚 さ、及び例えば１．１１ｍｍの装置ｆ３の厚さは、略自動的なはんだ付は工程に おいて付与される異なる半導体層の厚さによって平均化される。

酸化アルミニウムの代りに例えば窒化アルミニウムがプレート１に用いられ、銅 箔の直接接着の代りに厚いフィルム状の銅或いは化学蒸着された銅が用いられて もよい。しかしながら、プレート１は、薄板にされた銅を有する従来の回路基板 であってもよい。

各構成要素に用いられる材料は、交互に与えられる付加に対するモジュールの良 好な抵抗を得るために、拡散特性を考慮して選択されなければならない。

図３は、図１に示すモジュール１３に冷却液供給ブロック２１が付加された状態 を示し、ブロック２１は、冷却液１２を流通するための供給ライン２２及び復帰 ライン２３を含んでいる。ブロック２１は、電気的絶縁のための絶縁板２４を介 してモジュール１３に接続されている。供給及び復帰ライン２２．２３は、絶縁 板２４を貫通する穴であるブッシングを介して電極９．１０の空洞１１に接続さ れ、冷却液１２が導かれる。絶縁板２４は、金属箔に直接接着される酸化アルミ ニウムとして有利に形成され、モジュール１３及びブロック２１にはんだ付けさ れる。冷却液供給ブロック２１の代りに従来のパイプやチューブが使用されても よいことは言うまでもない。

モジュール１３内では、複数の発熱装置３が配列されてもよい。図４には、平行 に電気的に接続された装ぼ３としての２つのダイオードチップを有する実施例が 示しである。

個々のモジュール１３は、絶縁中間壁の挿入に伴い互いに広範囲に亘る配列が可 能となる。図５は、絶縁板２４によって挿入された冷却液供給ブロック２１を介 して互いに接続される２つのモジュール１３を備えた実施例を示し、共通のカソ ード板２７及び絶縁アノード２８を有するダイオード半架橋２６が形成されてい る。ブロック２１は、空気ギャップを含む絶縁層３７によってプレート２７から 離間されている。

共通のアノード及び離間されたカソードの逆の配列であっても同一であるように 思われる。この実施例において、個々のモジュール１３は、各場合において２つ の平行に接続された装置３としてのダイオードを含む。図５に示すようなこのよ うな配列は、例えば電力供給ユニットの密集電力部分を達成するために、更なる 構成要素によって補強される。

図６には、電力供給ユニットの部分的回路の回路図が示されている。それぞれの アノードＡを有するダイオードＤ１及びＤ２は、変圧器の第２の巻線２９に接続 され、変圧器は、主巻線３０及びコア２１を有する。２つのダイオードのカッ− ＦＫは、互いに接続されている。

図７は、図５に示した配列に類似したダイオード半架橋に基づいて、図６に示し た部分的回路の可能な認識を示すが、冷却液の伝導及び電極の形状がわずかに修 正されている。第２の巻線２９は、金属板、例えば銅板３２として形成され、金 属板３２は、中央穴３３及び穴３３と軸受は而３５との間の通過スロット３４を 有する。この方法によりて形成された金属板３２は、第２の巻線２９の１巻を形 成し、各巻線端部３６は、２つのモジュール１３のアノード電極９へはんだ付け されている。穴３３に挿通される変圧器コア３１は、絶縁されＮ数回巻かれた主 巻線３０を備えている。各モジュール１３には、それぞれ２つの平行に接続され た装ｆｉ３としてのダイオードＤＩ及びＤ２が取り付けられている。図７に見る ことができるように、上側電極９は、金属板３２が上側電極部分の機能を果たす とともに冷却液チャンネルをカバーできる十分な厚さである場合、単純化された 形に形成される。

ｉ５４ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成５年８月２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）電気的絶縁冷却液（１２）を用いて装置（３）から熱を消散する手段 （１１、１６、２１、２４）と、（ｂ）電線による接続を必要としない電気回路 或いは回路部分を実現する手段（９、１０、２７、３２）と、を有し、（ｃ）セ ラミックから構成される電気的絶縁部分（１７、２４）は、金属部分を介した直 接接着工法によって互いに接続され、 （ｄ）機械的に接続された複数の構成要素（１、２１、２４）及び吏なる構成要 素（例えば３２）は、はんだ付け可能な表面を有し、軟質はんだによって互いに 接続される、少なくとも２つの発熱器（３）、特に電力半導体装置の配列構造に おいて、 （ｅ）上記少なくとも１つの装置（３）は、配列されるとともにモジュール〔１ ３）内に密閉され、このモジュール（１３）は、 全体の配列によって分けられる、単一冷却液回路の冷却液（１２）の伝導のため の接続端子（１４、１５）及びチャンネル（１１、１６）と、 金属電極（９、１０）と、 上記電極（９、１０）の間に配列され、金属処理された主表面（５、６）、接続 チャンネル（１６）、及び装置（３）のための少なくとも１つの切り欠き開口（ ２）を有する電気的絶縁板（１）と、を備え、 （ｆ）複数のモジュール（１３）は、電気的に絶縁された構成要素（２１、２４ ）の挿入を伴い、及び構成要素（３２）の更なる接続によって互いに接続可能で あり、適切であれば、軟質はんだ付けによって密集した配列を形成し、装置（３ ）の平行接続を構成しない電気回路或いは回路部分の実現が可能になることを特 徴とする配列構造。 ２．上記電極（９及び１０）によって平行に接続された複数の装置（３）がモジ ュール（１３）内に配列されていることを特徴とする請求項１に記載された配列 構造。 ３．少なくとも１つの装置（３）は、第１の円形モリブデンシーム（２０）、半 導体装置（１９）、及び第２の円形モリブデンシーム（２０）を、各場合に挿入 されるはんだ材料（８）とともに含む積層配列として形成されていることを特徴 とする請求項１或いは２に記載された配列構造。 ４．上記冷却液（１２）の供給及び伝導は、好ましくは冷却液供給ブロック（２ １）を伴って行われ、このブロック（２１）は、上記電極（９、１０）のいずれ か一方にそれぞれ接続される供給ライン（２２）及び復帰ライン（２３）を含み 、上記ブロック（２１）は、上記冷却液（１２）が流通されるブッシング（２５ ）を有する絶縁板（２４）とともに上記電極（９、１０）に接続されていること を特徴とする請求項１乃至３に記載された配列構造。 ５．ダイオード半架橋（２６）を実現するために、（ａ）２つのモジュール（１ ３）は、第１の絶縁板（２４）、冷却液供給ブロック（２１）、及び第２の絶縁 板（２４）を介して軟質はんだによって互いに接続され、通過する冷却液の伝導 は、外付けのパイプやチューブを必要としない上記配列によって達成され、 （ｂ）上記各モジュール（１３）の上記各カソード電極（１０）は、カソード板 （２７）にはんだ付けされることを特徴とする請求項４に記載された配列構造。 ６．上記ダイオード半架橋（２６）は、１回巻きの第２の巻線（２９）、主巻線 （３０）、及びコア（３１）を含み、機械的及び電気的に接続される変圧器（Ｔ ）によって補強され、この配列において、 （ａ）上記第２の巻線（２９）は、中央穴（３３）と、この中央穴（３３）と上 記金属板（３２）の下側の軸受け面（３５）との問に設けられた通過スロット（ ２４）と、を有する金属板（３２）から構成され、 （ｂ）上記金属板（３２）は、上記スロット（２４）によって離間された各巻線 端部（３６）が上記アノード電極（９）のいずれか一方にそれぞれ位置する［嵌 め込まれる］ように配置され、 （ｃ）上記コア（３１）は、上記穴（３３）に挿通され、（ｄ）上記主巻線（３ ０）は、上記コア（３１）上に配置されていることを特徴とする請求項５に記載 された配列構造。