JPH10125838A - 高電力半導体モジュールのための液体冷却装置 - Google Patents

高電力半導体モジュールのための液体冷却装置

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JPH10125838A
JPH10125838A JP9241607A JP24160797A JPH10125838A JP H10125838 A JPH10125838 A JP H10125838A JP 9241607 A JP9241607 A JP 9241607A JP 24160797 A JP24160797 A JP 24160797A JP H10125838 A JPH10125838 A JP H10125838A
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liquid
cooling device
cooling
liquid cooling
housing
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JP9241607A
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Toni Dr Frey
フレイ トニー
Alexander Dr Stuck
シュトゥック アレクサンダー
Raymond Dr Zehringer
ツェーリンガー レイモント
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • H01L23/46Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
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    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却面上に互いに隣合って配置された熱を発生
する複数のサブモジュールを含む高電力半導体モジュー
ルに対する液体冷却装置を提供すること。 【解決課題】前記サブモジュールの各々(8a−8h)
は、電気的に絶縁セラミック基板に与えられた少なくと
も1つの電力半導体を有し、前記冷却面(3)に融着さ
れており、液体冷却装置(1)は、冷却液が流れる冷却
スペース(4)を囲むハウジングを有し、その上側に冷
却面を形成している。液体冷却装置(1)のハウジング
(2)は、少なくとも冷却面の領域において、金属−セ
ラミックの複合材料から注型され、その熱膨張係数はセ
ラミック基板の熱膨張係数、或いはサブモジュールの電
力半導体デバイスの熱膨張係数に適合され、更に、冷却
面(3)と冷却液間の熱伝達を増進するために複数のピ
ンが液体冷却装置(1)の液体スペース(4)に設けら
れている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する分野】本発明は、パワーエレクトロニク
スの分野に関する。本発明は、冷却面上に互いに隣り合
って配置された複数の熱発生サブモジュールを含む高電
力半導体のための液体冷却装置に関し、サブモジュール
の各々は電気的に絶縁しているセラミック基板に与えら
れた少なくとも1つの電力半導体を有し、前記セラミッ
ク基板の下面の冷却面に融着されている。液体冷却装置
(1)は、冷却液が流れる液体スペース(4)を囲むハ
ウジング(2)を有し、その上面は冷却面(3)を形成
する。
【0002】
【従来技術】高電力半導体モジュールはパワーエレクト
ロニクス用の素子である。一般に、モジュールは、論理
機能ユニットを形成するために結合された複数の半導体
装置を有する。これらのモジュール(例えば、サイリス
タ、IGBT或いはダイオードのモジュール)は、今
日、2500Vと数100Aまでの電力範囲において一
般的であり、特に産業上の駆動装置において用いられ
る。上述の型式のモジュールの例はEP-A1-0 597 144 、
或いはT. Stockmeier 他による、Reliable 1200 Amp 25
00V IGBT Modules for Traction Applications, IEEE I
GBT Propulsion Drives Colloquim, London, April 199
5 の記事から公知である。これまで、これらのモジュー
ルは、台車けん引装置において非常に限られた範囲に対
してのみ用いられていた。これに対する理由の1つは、
長期間の信頼性が必要とされることであり、従来のモジ
ュールがこれまで与えられなかったものである。技術の
現状に鑑み、重要な失敗はシリコンチップが取り付けら
れる基板とモジュールに接続された水、即ち液体冷却装
置間の半田層の疲労である。これは最終的にチップの加
熱、および電気的コンタクトの分離を導く。動作中に消
散された自己発生熱によって最大の許容できる動作温度
まで加熱され、再び冷却水の温度へ冷却される多数の負
荷サイクル後に、この効果が観察される。最大数の負荷
サイクルの後に、上述の失敗が発生するその最大数の負
荷サイクルは、冷却器の温度、温度幅および温度変化の
速度に強く依存する。全体に、到達できる負荷サイクル
の抵抗は、信頼できる使用を可能にする、けん引の分野
における要求に対して非常に小さすぎる。
【0003】DE 42 44 721 A1 は、一体化された液体冷
却装置を有する電気的マシンい対する半導体バルブを具
体的に開示している。とりわけ、効果的な冷却は、半導
体基板の裏側、或いはそれらのセラミックの絶縁キャリ
アによって直接形成されている冷却液のダクトの底ある
いはカバーによって達成される。この解決の欠点は、絶
縁キャリア、或いは半導体基板が電気的絶縁体および熱
伝導体としての双方の機能を行わなければならないこと
である。その結果、材料の選択は主として絶縁セラミッ
クスに限定され、受入れられなければならない熱伝導性
に関して妥協している。更に、熱の消散は絶縁キャリア
によって完全に生じるので、後者は交換領域を増大する
ために、大きな表面積或いは幅を有する大きさにされて
いる。他方、小さな表面積の半導体素子からの熱は、非
常に部分的に生成され、そして証明されるように、半導
体基板と絶縁キャリアを通過するとき、横方向にのみ若
干広げられる。従って、この装置において、適切な冷却
性能はなかなか達成されることができない。更に、冷却
ダクトは、互いに、そして特に絶縁キャリアとは異なる
膨張係数を有する複数の材料から比較的高価につくられ
る。従って、これらのモジュールの冷却効率、熱安定性
およびサービス寿命は不満足なものとなる。
【0004】
【発明の概要】従って、本発明の目的は、モジュールの
負荷サイクル抵抗を極端に増加する新規な液体冷却装置
を提供することである。この目的は、始めに述べられた
型式の装置の場合に、少なくとも冷却面(3)の領域に
金属−セラミックの複合材料から作られたハウジングを
有する液体冷却装置によって、その熱膨張係数はセラミ
ック基板の、或いはサブモジュール(8a−h)のパワ
ー半導体デバイスの熱膨張係数に適合されており、且つ
冷却液と冷却面(3)間の熱転送を増進するための、液
体冷却装置(1)の液体スペース(4)に設けられてい
る追加手段(11a;12)によって達成される。本発
明は、冷却面として働き、サブモジュールが融着される
(例えば、はんだ付けされる)基板の熱膨張係数とサブ
モジュールの熱膨張係数との適合は、熱機械的ストレス
が減少され、結果的に融着点の疲労が避けられ、或いは
減少されるという認識に基づいている。対照的に、従来
のモジュールにおいて、冷却装置は、代表的には、約1
5−23ppm/k の高い熱膨張係数を有し、数ppm/k のみ
の範囲にあるチップのシリコンおよびセラミック基板の
熱膨張係数とよく調和しない例えばアルミニウムや銅の
ような通常の金属合金から作られている。
【0005】本発明の第1の好適な実施形態によると、
ハウジングの熱膨張係数は10ppm/k 、好ましくは7pp
m/k より小さくなければならない。これにより、融着部
分の熱膨張係数における適合が達成され、それにより、
熱機械的ストレスは結合の疲労が事実上避けられる程度
まで減少される。この実施形態の開発によれば、炭化シ
リコンの複合材料、好ましくは、5−7ppm/k の熱膨張
係数を有するアルミニウム−炭化シリコン(AlSiC)、或
いは銅−炭化シリコン(CuSiC)がハウジング材料として
用いられ、このハウジングはこの材料から注型されなら
ば、特に好ましい。結果として、もし、注型用金型が適
切に設計されるならば、その熱機械的特性において、S
iチップとサブモジュールのセラミック基板に適合され
る最適化された冷却構造が簡単に達成される。
【0006】原則的に、冷却装置のハウジング全体が熱
膨張係数に関して適合された材料、特に上述の材料から
成ることが考えらえる。しかし、もし、装置の冷却構造
が、冷却装置の裏側が最早著しく冷却に寄与しないよう
に設計されるなら、他の実施形態によれば、冷却面の反
対側にあるハウジングの底は異なる材料、好ましくはプ
ラスチックから作ることができる。その結果、装置のコ
ストはかなり減少される。更に、本発明の好適な実施形
態は、冷却面と冷却液の間での熱伝達を増進するための
追加手段が装置の液体スペースに設けられており、この
追加手段は冷却面から液体スペースへ突出する複数のピ
ンを有し、これらのピンは冷却面と同じ材料から成って
おり、且つこれらのピンは冷却面と一体に形成されてい
る点で、特徴を有している。冷却構造の熱抵抗はピンの
直径、ピン相互間の距離、およびピンの高さを適当に選
択することによって与えられた冷却液の流れに対して最
適化されることができる。この点において、これらのピ
ンの使用は、電力半導体に対する冷却装置の場合にそれ
自体知られていることは留意されるべきである( 例え
ば、DE-C2-40 17 749 を参照されたい) 。
【0007】この実施形態の開発によると、もし、これ
らのピンが円筒状に設計され、冷却面に垂直な円筒軸を
有して向けられ、且つこれらのピンは六角形対称に配列
されるなら、特に有利な冷却条件が得られる。一般に、
モジュールからの熱は冷却全面にわたって均一に消散し
ないで、サブモジュールを介して冷却装置へ幾つかの場
所に局部的に集中される。冷却装置における熱の広が
り、即ちサブモジュールの場所から熱の横方向への分布
は小さく、従って、もし、本質的にサブモジュールの領
域が冷却されるならば、充分であることが研究によって
示されている。従って、他の好適な実施形態によると、
ピンはピン群にまとめられ、各々のサブモジュールがピ
ン群に割り当てられる。従って、冷却はサブモジュール
より境界において幾らか大きい領域(好ましくは、約4
mm)に制限される。他方、大きな表面積が冷却される
場合、追加の水は冷却に寄与しないで、冷却器を通る流
れを増加するだけである。
【0008】この理由により、冷却スペースにおける冷
却液の流れを本質的にピン群の領域に制限するための手
段が設けられるならば、それは利点である。もし、冷却
装置が金属−セラミックの複合体から注型されるなら、
冷却面は、大きな経費をかけることなく作ることもでき
る。冷却に寄与しない全ての面は冷却液の流れから除か
れるので、与えられた外部の流れに対して更に冷却器の
効率を増加することが可能である。
【0009】
【好適な実施形態】図面をとおして同じ、或いは対応す
る部分には同じ参照番号を用いる。図1において、本発
明による液体冷却装置1を有する高電力半導体モジュー
ル14の代表的な実施形態が斜視図として表されてい
る。高電力半導体モジュール14は複数の分離したサブ
モジュール8a−8hを有し、これらのモジュールは冷
却面3上に互いに隣合って配列されているが、単純化の
ために電気的接続ラインおよび端子は示されていない。
一般に、モジュール14のサブモジュール8a−8hは
図1において点線によってのみ示されているモジュール
ハウジング7によって囲まれている。個々のサブモジュ
ール8a−8hは、チップ形状、例えばサイリスタチッ
プ、ダイオードチップ、IGBTチップ等の高電力シリ
コン半導体デバイスを含む。これらのチップは、絶縁セ
ラミック基板上に電気的接続ラインと共に収容され、そ
れらのパーツに対して冷却面3に融着、特にはんだ付け
される。サブモジュール8a−8hは、絶縁および熱分
布のために互いに間隔をあけて分離される。
【0010】液体冷却装置1は、冷却液が流れる液体ス
ペース4(図2)を囲む密閉された(図1の例では立方
形の)ハウジングを有し、その上側は冷却面3を形成す
る。冷却液(一般には水)は入口5をとおって矢印の方
向に液体スペース4へ供給され、温められた液体は出口
6をとおって除去される。単一の入口および出口に代え
て、勿論、装置1にわたって分布する複数の入口と出口
を配置することができる。サブモジュールが冷却面3に
はんだ付けされる領域の下に、六角形の対称に配置され
た円筒形のピン12が、冷却面3から液体スペース4へ
突出している。この場合、これらのピン12はピン群1
1a−11hを形成するために一体にまとめられてお
り、各々のサブモジュール8a−8hは、各々の場合に
ピン群11a−11hに割り当てられている。これらの
ピン12は、金属−セラミックの複合材料、好ましくは
アルミニウム−炭化シリコン(AlSiC) 或いは銅−炭化シ
リコン(CuSiC) からハウジング2の注型によって冷却面
3と一体に生成され、ハウジング2と冷却液間の熱伝達
を著しく増加し、サブモジュールの下に直接あり、境界
においてサブモジュールを越えて幾らか立てられている
個々のピン群11a−11hは、大幅に減少した熱抵抗
の領域を冷却装置1内に形成する。このようにして、冷
却は、サブモジュールの下で冷却されるコア領域に制限
される最適な液体流で行われ、特別に良好な熱の伝達を
生じる。サブモジュール領域間の間隔がサブモジュール
の行間の中間壁10によって、図2に示されるように、
冷却流に対してできる限り塞がれるなら、更に冷却効率
の改善がなされる。中間壁10は、ハウジング2の注型
中にピン12と一緒に、簡単な方法で形成することがで
きる。
【0011】最初に、既に述べたように、熱抵抗R
thは、ピンの直径、ピン間の距離、およびピンの高さの
適当な選択によって最適化される。もし、ピンの高さに
対する追加の境界条件として、冷却器の裏側は最早冷却
に著しく寄与しないことがここで決められるなら、図3
によるハウジングの底から明らかなように、冷却器の裏
側はプラスチックから作られ、残りのハウジングに密着
されてもよい。対応して減少した電力損失のあるモジュ
ールの場合、ピン構造は冷却器のプラスチック側に配置
されることができることがこの段階で指摘されるべきで
ある。冷却器の金属側(AlSiC,CuSiC)は、非常に低いコ
ストで作ることができる、簡単な板に減少される。熱の
伝達を改善するピンである必要がないことも留意される
べきである。それは、あらゆる所望の構造が適切に熱を
除去し、AlSiC(又はCuSiC)で作られている限り、それは
如何なる構造であってもよい。特に、例えば延びたリブ
のような簡単な構造が考えられる。
【0012】本発明によるAlSiC の(ピン群をもつ)注
型の冷却器構造での試験は、4l/mの冷却流で、約8k/k
wの熱抵抗が得られたことを示した。これは、アルミニ
ウムから作られた従来の冷却器と比較して、13%の改
善に相当する。交互に変化する温度試験は、複合冷却器
の熱膨張が減少したことによって、はんだの疲労が明ら
かに減少し、結果的に負荷サイクルの抵抗が改善されて
いる。明らかに、上述の教示にもどづいて、本発明のい
ろいろな変更や修正が可能である。従って、請求項の範
囲内で、本発明は特にここに記載したもの以外に実施さ
れることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による液体冷却装置を有する高電力半導
体モジュールの代表的な実施形態における斜視図であ
る。
【図2】図1のII−II面におけるモジュールの断面図で
ある。
【図3】図2のIII −III ライン線に沿うモジュールの
断面図である。
【符号の説明】
1 液体冷却装置 2 ハウジング(冷却装置) 3 冷却面 4 液体スペース 5 入口 6 出口 7 モジュールのハウジング 8a−8h サブモジュール 9 ハウジングの壁 10 中間の壁 11a−11h ピン群 12 ピン 13 ハウジングの底 14 高電力半導体モジュール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレクサンダー シュトゥック スイス ツェーハー5430 ヴェッチンゲン ノイシュトラーセ 68 (72)発明者 レイモント ツェーリンガー スイス ツェーハー5444 キュンテン フ ァールバッハヴェーク 15

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】冷却面上に互いに隣合って配置された熱を
    発生する複数のサブモジュール(8a−8h)を含む高
    電力半導体モジュール(14)に対する液体冷却装置
    (1)であって、前記サブモジュールの各々は、電気的
    に絶縁セラミック基板に設けられた少なくとも1つの電
    力半導体を有し、前記冷却面(3)に融着されており、
    前記液体冷却装置(1)は、冷却液が流れる冷却スペー
    ス(4)を囲むハウジングを有し、その上側が冷却面を
    形成している液体冷却装置において、 前記液体冷却装置(1)のハウジング(2)は、少なく
    とも冷却面の領域において、金属−セラミックの複合材
    料から注型され、その熱膨張係数はセラミック基板の熱
    膨張係数、或いはサブモジュール(8a−8h)の電力
    半導体デバイスの熱膨張係数に適合され、且つ冷却面
    (3)と冷却液間の熱伝達を増進するための追加手段
    (11a−11h)が液体冷却装置(1)の液体スペー
    ス(4)に設けられている、ことを特徴とする液体冷却
    装置。
  2. 【請求項2】前記ハウジング材料の熱膨張係数は10 p
    pm/k、好ましくは7ppm/kより小さいことを特徴とする
    請求項1に記載の液体冷却装置。
  3. 【請求項3】炭化シリコンの複合材料、好ましくはアル
    ミニウム−炭化シリコン(AlSiC)または銅−炭化シリコ
    ン(CuSiC)がハウジング材料として用いられ、且つ前記
    ハウジング(2)はこの材料から注型されることを特徴
    とする請求項2に記載の液体冷却装置。
  4. 【請求項4】前記冷却装置の全体のハウジング(2)
    は、熱膨張係数に関して適合された材料から成ることを
    特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1つに記載の
    液体冷却装置。
  5. 【請求項5】前記冷却面(3)の反対側にあるハウジン
    グの底(13)は、異なる材料、好ましくはプラスチッ
    クから成ることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何
    れか1つに記載の液体冷却装置。
  6. 【請求項6】前記追加手段(11a−11h)は、冷却
    面(3)から液体スペース(4)へ延びる複数のピン
    (12)を有する請求項1乃至請求項5の何れか1つに
    記載の液体冷却装置。
  7. 【請求項7】前記ピン(12)は、冷却面と同じ材料か
    ら成り、且つ冷却面(39と共に一体に形成されている
    ことを特徴とする請求項6に記載の液体冷却装置。
  8. 【請求項8】前記ピン(12)は円筒状に設計され、冷
    却面(3)に垂直の円筒軸を有して向けられていること
    を特徴とする請求項6および請求項7の何れかに記載の
    液体冷却装置。
  9. 【請求項9】前記ピン(12)は、六角形対称に配置さ
    れていることを特徴とする請求項6乃至請求項8の何れ
    か1つに記載の液体冷却装置。
  10. 【請求項10】前記ピン(12)は、ピン群(11a−
    11h)に一体化され、且つ前記サブモジュールの各々
    はピン群(11a−11h)に割り当てられていること
    を特徴とする請求項6乃至請求項9の何れか1つに記載
    の液体冷却装置。
  11. 【請求項11】手段(10)が液体スペース(4)にお
    ける冷却液の流れを前記ピン群(11a−11h)の領
    域に実質的に制限するために設けられることを特徴とす
    る請求項10に記載の液体冷却装置。
JP9241607A 1996-10-23 1997-09-08 高電力半導体モジュールのための液体冷却装置 Pending JPH10125838A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19643717A DE19643717A1 (de) 1996-10-23 1996-10-23 Flüssigkeits-Kühlvorrichtung für ein Hochleistungshalbleitermodul
DE19643717:2 1996-10-23

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