JPH0955461A - ２つの加工物間の熱伝導性かつ電気絶縁性の結合装置およびその製造方法 - Google Patents

２つの加工物間の熱伝導性かつ電気絶縁性の結合装置およびその製造方法

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JPH0955461A JP8198060A JP19806096A JPH0955461A JP H0955461 A JPH0955461 A JP H0955461A JP 8198060 A JP8198060 A JP 8198060A JP 19806096 A JP19806096 A JP 19806096A JP H0955461 A JPH0955461 A JP H0955461A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱伝導性かつ電気絶縁性の結合装置を提供す
る。 【解決手段】 熱伝導性、電気絶縁性かつ空気湿気に影
響されない結合装置は、 ａ）少なくとも一方の加工物表面に溶射によってセラミ
ック層（ＫＳ）が施されており、 ｂ）該セラミック層（ＫＳ）が電気絶縁材料（Ｍ）で含
浸または密封されており、 ｃ）含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）が、もう
一方の加工物表面、またはもう一方の加工物表面に施し
た、含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）と結合さ
れている 【効果】 該結合装置は、特に、少なくとも１つのパワ
ー素子を有するパワー素子ユニットにおいて、冷却体に
対する充分な電気絶縁と同時に損失温度の導出を可能に
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２つの加工物間の
熱伝導性かつ電気絶縁性の結合装置およびその製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】少なくとも１つのパワー素子を有するパ
ワー素子ユニットを製造する際には、一方で損失熱の導
出を可能にし、他方では冷却体に対する充分な電気絶縁
を保証する、パワー素子と冷却体の間の熱伝導性かつ電
気絶縁性の結合装置が要求される。こうした結合装置の
製造には、パワー素子ユニットまたは個々のパワー素子
を例えばハンダ付けまたは接着によって銅支持体に施す
のが公知である。これらの熱拡散素子として使用される
銅支持体は、主に電気絶縁性スペーサ、有利には酸化ア
ルミニウムからなるスペーサを介して、所属する冷却体
と結合される。熱伝導の品質は、特に、この結合装置が
機械による圧着、接着またはハンダ付けによって製造さ
れたかにもよる。パワー素子と冷却体とのこうした結合
装置における欠点は、製造および加工の際の機械的強度
の理由からセラミックスペーサが電気絶縁に必要なより
も厚くならざるをえないというということにある。その
ことから、結合装置の達成可能な熱伝導性における限界
が生じる。
【０００３】ヨーロッパ特許公開第００４２６９３号明
細書から、前述のセラミックスペーサの欠点をプラズマ
溶射したセラミック層によって回避することが公知であ
る。この場合には、セラミック層が熱拡散素子上に施さ
れ、次いで熱拡散素子がセラミック層を介して所属の冷
却体に接着される。層コンテンシーおよび層の厚さが熱
伝導性および電気絶縁作用を決定付け、かつこれらは広
い限界内で様々な要求に適合させることができる。しか
しながら、プラズマ溶射したセラミック層の吸湿性特性
が、特に、この様な結合装置が構造的理由から空気湿気
に対して絶縁ゲル、例えばシリコーンをベースとする絶
縁ゲルで長期安定に被覆することができない際に欠点と
して作用する。
【０００４】西ドイツ実用新案第８９１４４９３号明細
書からは、支持体と冷却体の間に熱伝導性かつ電気絶縁
性の結合装置を有するパワー素子ユニットが公知であ
る。この場合には、絶縁層は既製の部品としてではな
く、冷却体上に塗布されかつ基板と接着されるか、また
は支持体に塗布されかつ冷却体に冷却体に接着される被
覆として構成される。一変形として、アルミニウムから
なる冷却体の表面に絶縁体としてアルマイト（eloxal）
層が形成される。しかし、このアルミニウムの陽極酸化
によって形成されたアルマイト層は、酸化アルミニウム
の平滑な表面ではなく、クレータ地形のような不規則な
表面を有している。クレータの谷間の残留したアルマイ
ト層の厚さが必要とする絶縁耐性に関して薄すぎる場合
には、アルマイト層は、まさに酸化の際に生じたクレー
タを充満するだけの厚さの、ポリテトラフルオロエチレ
ンからなる層で被覆される。このアルマイト層の表面の
平滑化によって、絶縁層は厚くなり、絶縁耐性は高ま
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、溶射
されたセラミック層を基礎とする、熱伝導性かつ電気絶
縁性の結合装置およびその製造方法を、結合部が高い熱
伝導性および高い電気絶縁作用を維持して空気湿気の作
用に対して影響されないように構成することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記課題は、熱伝導性か
つ電気絶縁性の結合装置に関しては、 ａ）少なくとも一方の加工物表面に溶射によってセラミ
ック層（ＫＳ）が施されており、 ｂ）該セラミック層（ＫＳ）が電気絶縁材料（Ｍ）で含
浸または密封されており、 ｃ）含浸または密封したセラミック素子（ＫＳ）が、も
う一方の加工物表面、またはもう一方の加工物表面に施
した、含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）と結合
されていることを特徴とする、２つの加工物の熱伝導性
かつ電気絶縁性の結合装置により解決される。
【０００７】本発明による熱伝導性かつ電気絶縁性の結
合装置の有利な実施態様は、請求項２〜９に記載されて
いる。
【０００８】前記課題は、前記の結合装置を製造する方
法においては、 ａ）少なくとも一方の加工物表面に溶射によってセラミ
ック層（ＫＳ）を施し、 ｂ）セラミック層（ＫＳ）を電気絶縁性材料（Ｍ）で含
浸または密封し、 ｃ）含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）を、もう
一方の加工物表面、またはもう一方の加工物表面に施し
た、含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）と結合さ
せることを特徴する、２つの加工物間の熱伝導性かつ電
気絶縁性の結合装置の製造方法により解決される。
【０００９】本発明による熱伝導性かつ電気絶縁性の結
合装置の製造方法の有利な実施態様は、請求項１１〜１
６に記載されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は、溶射したセラミック層
の含浸または密封は、熱伝導性および電気絶縁作用を劣
化せず、層の気孔を少なくとも表面領域では塞ぎ、それ
により好ましくない空気湿気の影響を確実に防げるとい
う認識の上に立っている。セラミック層の、第２の加工
物表面または第２のセラミック層とのさらなる結合は、
含浸または密封によって妨げられず、かつ公知の方法、
例えば超音波溶接または接着によって行うことができ
る。
【００１１】本発明に基づく用語“含浸”とは、場合に
よっては表面上に保護被膜を形成しうる電気絶縁材料で
の、多孔性セラミック層の表面のまたは完全な浸透であ
ると理解されるべきである。
【００１２】本発明に基づく用語“密封”とは、少なく
とも表面領域においては気孔に浸透し、かつ表面に保護
被膜を形成する電気絶縁材料での、多孔性セラミック層
の表面処理であると理解されるべきである。
【００１３】
【実施例】次に図示の実施例により本発明を詳細に説明
する。
【００１４】図１には、ＬＢでパワー素子、例えばパワ
ー半導体が示されており、該パワー素子はろう層Ｌを介
して銅からなる熱拡散素子ＷＳと結合されている。パワ
ー素子ＬＢの電気的接続は、図１に示されたボンディン
グワイヤを介して図示されていない回路に対して行われ
る。
【００１５】円板状の熱拡散素子ＷＳは熱伝導性接着層
Ｋおよび熱伝導性かつ電気絶縁性セラミック層ＫＳを介
して、良熱伝導性金属、例えば銅またはアルミニウムか
らなる冷却体ＫＫと結合されている。冷却体ＫＫは、冷
水が貫流する矩形の管の形を有していてもよい。
【００１６】セラミック層ＫＳは溶射、有利にはプラズ
マ噴射によって冷却体ＫＫ表面に施される。その際、例
えば酸化物セラミック、有利には酸化アルミニウムから
なるセラミック層ＫＳの厚さは、必要な電気的絶縁能力
に基づき決定される。
【００１７】溶射によって冷却体ＫＫに施されたセラミ
ック層ＫＳは、付加的な手段を講じなければ層構造の好
ましくない吸湿性を生じ得る、ある程度の多孔性を有す
る。このセラミック層ＫＳの多孔性は、図２に図示した
断面図には、個々のセラミック微粒子ＫＰ間の広い間隔
によって著しく誇張して図示されている。他方、この著
しく誇張して図示した多孔性によって、電気絶縁性材料
Ｍがセラミック層ＫＳに完全に浸透し、それによって層
後続の吸湿性を完全に阻止する、セラミック層ＫＳの含
浸の作用が明確にされる。
【００１８】しかし図２に図示した含浸の代わりに、セ
ラミック層ＫＳを密封することもできる。この場合に
は、電気絶縁性材料Ｍは少なくとも表面領域においては
気孔に浸透し、表面上にに保護被膜を形成する。いずれ
の場合も、電気絶縁性材料Ｍとして、例えば６００〜８
００℃の温度範囲で溶融するセラミック釉薬、硬化性の
樹脂または硬化性の接着剤を使用することができる。
【００１９】有利にはセラミック層ＫＳの含浸または密
封にはエポキシ樹脂を使用する。凝縮物不在の含浸また
は密封のためには、被覆熱を利用できるし、または途中
加熱処理をする。その際特に重要なことは、エポキシ樹
脂がセラミック層ＫＳの処理後も気孔不含のままである
ことである。このことは例えば低圧含浸または真空含浸
によって保証される。
【００２０】図１および２に図示した実施例において
は、含浸したセラミック層ＫＳを接着剤層Ｋを介して熱
拡散素子ＷＳと結合する。接着剤層Ｋの材料としては、
有利には同様にエポキシ樹脂を用いる。熱伝導性のさら
なる改善のために、接着剤層Ｋに熱伝導性の粉末、例え
ばニッケル粉末を配合してもよい。
【００２１】前述の、図１および２に図示した実施例か
ら離れて、セラミック層ＫＳを熱拡散素子ＷＳに施し、
引き続き含浸または密封させることもできる。しかしま
た、冷却体ＫＫ上と同様熱拡散素子ＷＳ上にもセラミッ
ク層ＫＳを施し、次いでこれらを含浸または密封後に接
着剤層を介して互いに結合させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による結合装置を有するパワー素子ユニ
ットの側面図である。
【図２】図１で示した結合装置の結合領域を極端に拡大
した断面図である。
【符号の説明】
ＬＢ パワー素子ユニット、Ｋ 接着剤層、 ＫＫ 冷
却体、 ＫＳ セラミック層、 Ｍ 電気絶縁材料、
ＷＳ 熱拡散素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カール−ハインツ グンツェルマン ドイツ連邦共和国 ニュルンベルク ヘン デルシュトラーセ 12 (72)発明者 カール−ハインツ イーデラー ドイツ連邦共和国 シュパルドルフ マル ロフシュタイナー シュトラーセ ４

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）少なくとも一方の加工物表面に溶射
    によってセラミック層（ＫＳ）が施されており、 ｂ）該セラミック層（ＫＳ）が電気絶縁材料（Ｍ）で含
    浸または密封されており、 ｃ）含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）が、もう
    一方の加工物表面、またはもう一方の加工物表面に施し
    た、含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）と結合さ
    れていることを特徴とする、２つの加工物の熱伝導性か
    つ電気絶縁性の結合装置。
  2. 【請求項２】 セラミック層（ＫＳ）が酸化物セラミッ
    クからなる、請求項１記載の熱伝導性かつ電気絶縁性の
    結合装置。
  3. 【請求項３】 セラミック層（ＫＳ）が酸化アルミニウ
    ムからなる、請求項２記載の熱伝導性かつ電気絶縁性の
    結合装置。
  4. 【請求項４】 セラミック層（ＫＳ）が樹脂または接着
    剤で含浸または密封されている、請求項１から３までの
    いずれか１項記載の熱伝導性かつ電気絶縁性の結合装
    置。
  5. 【請求項５】 セラミック層（ＫＳ）がエポキシ樹脂で
    含浸または密封されている、請求項４記載の熱伝導性か
    つ電気絶縁性の結合装置。
  6. 【請求項６】 セラミック層（ＫＳ）が低融点のセラミ
    ック釉薬で含浸または密封されている、請求項１から３
    までのいずれか１項記載の熱伝導性かつ電気絶縁性の結
    合装置。
  7. 【請求項７】 含浸または密封したセラミック層（Ｋ
    Ｓ）と、もう一方の加工物表面、またはもう一方の加工
    物表面に施した、含浸または密封したセラミック層（Ｋ
    Ｓ）との結合のために接着剤層（Ｋ）が使用されてい
    る、請求項１から６までのいずれか１項記載の熱伝導性
    かつ電気絶縁性の結合装置。
  8. 【請求項８】 接着剤層（Ｋ）がエポキシ樹脂からな
    る、請求項７記載の熱伝導性かつ電気絶縁性の結合装
    置。
  9. 【請求項９】 接着剤層（Ｋ）に熱伝導性粉末が配合さ
    れている、請求項７または８記載の熱伝導性かつ電気絶
    縁性の結合装置。
  10. 【請求項１０】 ２つの加工物間の熱伝導性かつ電気絶
    縁性の結合装置を製造する方法において、 ａ）少なくとも一方の加工物表面に溶射によってセラミ
    ック層（ＫＳ）を施し、 ｂ）セラミック層（ＫＳ）を電気絶縁材料（Ｍ）で含浸
    または密封し、 ｃ）含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）を、もう
    一方の加工物表面、またはもう一方の加工物表面に施し
    た、含浸または密封したセラミック層（ＫＳ）と結合さ
    せることを特徴とする、２つの加工物間の熱伝導性かつ
    電気絶縁性の結合装置の製造方法。
  11. 【請求項１１】 セラミック層（ＫＳ）をプラズマ溶射
    により施す、請求項１０記載の製造方法。
  12. 【請求項１２】 セラミック層（ＫＳ）に樹脂または接
    着剤を低圧含浸または真空含浸する、請求項１０または
    １１記載の製造方法。
  13. 【請求項１３】 セラミック層（ＫＳ）にエポキシ樹脂
    を低圧含浸または真空含浸する、請求項１２に記載の製
    造方法。
  14. 【請求項１４】 含浸または密封したセラミック層（Ｋ
    Ｓ）と、もう一方の加工物表面、またはもう一方の加工
    物表面に施した、含浸または密封したセラミック層（Ｋ
    Ｓ）とを接着剤層（Ｋ）を介して結合させる、請求項１
    ０から１３までのいずれか１項記載の製造方法。
  15. 【請求項１５】 エポキシ樹脂からなる接着剤層（Ｋ）
    を使用する、請求項１４記載の製造方法。
  16. 【請求項１６】 接着剤層（Ｋ）に熱伝導性粉末を配合
    する、請求項１４または１５記載の製造方法。
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