JPS61187351A - ヒートパイプを統合した電力用半導体モジユール - Google Patents

ヒートパイプを統合した電力用半導体モジユール

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JPS61187351A
JPS61187351A JP61028049A JP2804986A JPS61187351A JP S61187351 A JPS61187351 A JP S61187351A JP 61028049 A JP61028049 A JP 61028049A JP 2804986 A JP2804986 A JP 2804986A JP S61187351 A JPS61187351 A JP S61187351A
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アルノ・ナイデイヒ
ハンス・ゲオルグ・ベスヨハン
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BBC Brown Boveri France SA
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Brown Boveri und Cie AG Germany
BBC Brown Boveri France SA
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属化、セラミック取付板上の少くとも１個
の電力用半導体部品と、電力用半導体部品から放出され
る熱を電力用半導体部品の底面に比べて大き々ヒート／
４イプ凝縮区域の面に分配するために、電力用半導体化
モジュールに統合された少くとも１個のヒート・臂イデ
を有する電力用半導体モジュールに関する。このモジー
−ルは、基板として用いられるセラミックペースの上に
電気的に絶縁してはんだ付は技術を用いて組立てた電力
用半導体を有している。
〔従来の技術〕
上記の電力用半導体モジュールは西独特許出願公開第３
４０２００３号明細書により公知である。
上記明細書では電力用半導体部品の損失熱をより大きな
ベース面に分配すると共に、電気的に絶縁されたペース
を介して電力用半導体部品から冷却面への熱輸送を改善
するために、ヒート／９イブをモジュールに統合するこ
とが提案される。この公開明細書によって公知の例では
、すべてヒートバイブをペースの金属被覆の内側に結合
され、この場合ヒートバイブに対して比較的小さな蒸気
室が設けられるのにすぎないため、熱輸送能力が比較的
限られている。またここに開示されている微細な毛細管
構造の製造は必ずしも容易でない。
十分の大きい蒸発室を有するヒート／４イブを備えた電
力用半導体モジュールは英国特許第２０３９４１６号に
より公知である。その例は第２図に示されている。第２
図の例では、空所、すなわち蒸気室を有するセラミック
ペースがヒート／４イブとして用いられ、この場合には
、半導体部品からセラミック層を経て蒸気室に至る熱輸
送が必要である。半導体部品とヒートバイブの蒸気室の
間に良好な熱結合が形成されていることは第５図の実施
例で明らかである。この実施例ではセラミックに穴が設
けられ、そこに半導体部品が挿着され、こうしてヒート
／４イブの蒸気室との直接接触が行なわれる。しかしこ
の設計も幾つかの難点があり、特に問題となるのは寿命
が短かいということである。ペースと作動液と半導体部
品の結合のための前述の手段では、例えば短時間で腐食
しない材料の組合せを見出すことは不可能でちるし、ま
たヒートツタイブの末端への熱輸送に於て、良好な熱拡
散が実現できない。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この先行技術から出発してこの発明が解決しようとする
問題点は、ヒートパイプの大きな蒸気室を有するととも
に、簡単に製造でき、又腐食に対して高い耐久性を有す
るヒート・譬イブを統合した電力用半導体モジュールを
提供することである。
〔問題点を解決する手段〕
上記問題点の解決は、前述の電力用半導体モジュールに
おいて、両面に金属被覆を設けられたセラミックから成
る熱伝導良好な取付板を設け、枠を介して基板と気密に
結合させて、ヒートパイプの蒸気室を構成し、かつ基板
が電力用半導体部品又は間挿された補償円板の下の区域
に開口するように形成することによりて達成される。
〔発明の効果〕
本発明の効果は、とりわけヒート・クイプを統合した電
力用半導体モジュールを市販の部材すなわちセラミック
ペースを組立てることによりて簡単に製造することがで
き、かつモジュールをヒートパイプを有し危いモジュー
ルと同様に容易に取扱えることにある。作動液と接触す
るヒートパイプのすべての部材はセラミック又・は銅で
製造され、若しくは鋼で被覆できるので、腐食の発生は
防止される。好ましい実施例に於ては、毛細管構造を設
けることによって、任意の取付は長さのモジュールを使
用することができる。セラミックと銅部材の間又は鋼面
相互の間に必要な勝れた気密結合は、いわゆる直接ボン
ディングによって達成される。又別の好適な実施例に示
すように、ヒート・臂イブの加熱部の良好な熱分配を得
るために、特別のヒータを設けることができる。
その他の利点は後記する実施例の＃Ｊ１．ａＡによりて
明らかである。
〔実施例〕
次に図面を参照しつつ本発明の実施例を述べるが、その
前に本発明が使用しているヒート／９イブ一般について
説明する・ ヒート・４イブは公知であり、例えばＢＢＣナハリヒテ
ン（ＢＢＣＮａｃｈｒｉｅｈｔｓｎ　）　１９６６年２
０６カいし２１１頁に記載されている。それは液体で一
部充填された密室から成る。壁体の材料と液体の種類は
、ヒートパイプを使用する温度範囲に太いに関係して定
められる。ヒート・平イデの一方の部位（加熱部）に熱
が供給されると液体が蒸発し、蒸気が内室全体に分配さ
れる。この蒸気は熱シンクに移動して凝縮して液体（作
動液）とｔす、その除熱を放出する。作動液は加熱部に
戻されねば々らない。高温部が下に、熱シンクが上にあ
るようにヒートパイプを配列すれば、作動液の戻しは重
力によりて行われる。
しかし毛細管作用を用いて作動液の戻しを行うこともで
きる。そのために内面に条溝、網状構造又は多孔質材料
で形成された部材が用いられる。ヒート・９イブは熱を
熱源から離隔位置に設けられた大きな面積を有する熱シ
ンクに、僅かの温度差を利用して輸送できるという長所
を有する。一般にヒートツクイブに設けられる空所は、
通常考えられる円筒形でなくてよく、従ってヒート／９
イブはほとんど任意の形状に設計することができる。
電力用半導体モジュールは特定の取付は位置、例えば配
電盤の垂直壁で使用されることが多い。
このような場合には第１図に示すように、重力式ヒート
／４イブを備えた電力用半導体モジュールを使用するこ
とができる。
第１図は通常、図示しないプラスチックケースを具備し
、熱シンクとしての冷却体２の上に取付けた電力用半導
体モジュール１を示す。接続部材３、電力用半導体部品
４、場合によってはその他の図示しない部品が基板５の
上にはんだ付けされている。基板５は金属被覆したセラ
ミック板である。基板５は特別に熱伝導が良くなくても
よいので、純度の低い、例えばＡｔ２０３分９６％以下
の厚さ約１ないし２■のＡｔ２０３セラミツクで製造す
ることが好ましい。基板５は装着部品に臨む上面に１例
えば層厚０．３ないし０、５　ｖｍで所望の配線に対応
する構造の銅の金属被覆層を付与されている。基板５は
特に熱伝導良好でなくてよいので、比較的厚い鋼層すな
わち構造を形成した金属被覆層６を着持する比較的厚い
セラミック板から成ることができる。このことは流れが
強い場合に特に有利である１表ぜなら基板５の上面に設
けられた金属被覆層６が流れの流路となるからである。
電力用半導体部品４は基板５の金属被覆層６に直接はん
だ付けされないで、通常はスペーサとして、又補償円板
７．１及び７．２としてモリブデン円板が用いられる。
上側の補償円板７．２は陰極接続端子８を担持し、ｒ−
）接続端子９の区域に穴を有する。下側の補償円板７゜
１は基板５の開口１０を蔽っている。１個又は複数個の
開口１０が基板５の、モジー−ルの組立状態に於ての下
辺の近傍に、配設されている。電力用半導体部品４又は
補償円板７．１の形状に応じて、開口１０の形状は円形
又は長方形に定められる。
開口ＪＯの直径は補償円板７．１の直径より例えば１ｍ
小さく形成される。
基板５は枠１１．を介して取付板１２と結合される。基
板５と取付板１２の間の枠Ｊ１の厚さはヒー）　ノ４イ
ブ１４の蒸気室１３の寸法によりて定められる。枠１１
を厚く選定すれば、それだけ蒸気室１３、それと共にヒ
ート・クイズ１４の熱輸送能力が大きくなる。取付板１
２の面積を７０Ｘ１００■に選んだモジュールについて
の試験が示すところでは、数百ワットの損失電力をヒー
ト／９イブ１４に均一に分配するのに、枠１１の厚さが
１ないし２−あれば十分である。
枠１１は基板５と同様に低純度のセラミック材料から成
る。ｔた枠１１は熱膨張差を吸収するのに十分な柔軟性
を有するとともに、外圧に十分耐える強度を備え、適当
表熱膨張を有する金属、例えば厚さ約１−の銅板で形成
されてもよい。
取付板１２は熱伝導良好であるとともに、電気的絶縁性
を有するものでなくてはならず、高純度のＡｔ２０．セ
ラミック（少くとも９６％紅２０３、例えば９９．５チ
Ａｔ２０．　）により形成され、その代表的には厚さ０
．６４１に定められている。取付板１２は両面に厚さ約
０．２ないし０．３−の銅板から成る金属被覆層６．１
を臭備する。冷却体２の後側の金属被覆層６．１は、電
気絶縁のための十分な絶縁区間を得るために、取付板１
２の縁端から約１ないし２■後退している。
金属被覆層６　、６．１とセラミック板５，１２０間及
びセラミック板５．１２と枠１１の間の結合は、すべて
直接の？ンディングによることが好ましい。
そのために枠Ｊ１と基板５の間に金属被覆層６．１が彦
ければならない。金属被覆層６．Ｊは基板５又は枠ＩＪ
の上に設けられる。基板５と枠１１の双方の両面に金属
被覆を設けてもよい。
鬼ぜなら２つの金属被覆層６．１は互いに良く結合され
るからである。基板５の下面には全面に金属被覆層を設
けることが好ましい。これは、製造の後にセラミック板
５．１２と枠１１の全構造が機械的応力の結果どのよう
にわん曲するかによるが、通常の場合には、取付板１２
が冷却体２＠に突出する方向に僅かに弯曲するように調
整するとよい、取付板１２の上の金属被覆層６．１の厚
さによりてこのわん曲を調節することもできる。ここで
述べる直接ゲンｒイング法は公知であり、例えば西独特
許第３０３６１２８号明細書に記載されている。
ヒート／９イブ１４のために必要な蒸気室１３は、前述
のようにセラミック板製基板５及び取付板１２、枠１１
及び電力用半導体部品４の下の補償円板７．１によりて
構成される。これらの部材の間の結合は気密に行わなけ
ればならない。
ヒート／９イブ１４を完成するには、銅製の注入管１６
を経て若干の作動液１５（例えば水）を充、填すること
が必要である。注入管１６は穴１７を経て基板１５に嵌
着され、前記基板の金属被覆層に直接？ンダイング法に
より直結される。
作動液１５は所定の取付は位置で重力の作用で下側補償
円板７．１の区域に集まり、第１図に示すように、水位
、付着力・及び毛細管作用により補償円板７．１を濡ら
す、下側補償円板７．１を介して使用液に送られる電力
用半導体部品４の損失熱によりて、使用液が蒸発する。
蒸気は蒸気室１３全体に拡がり、冷えた取付板１２（凝
縮区域）で凝縮し、高温部に逆流する。
本発明に基づく電力用半導体モジュールの詳細は後に記
載する説明により、更に明らかとまる。
まず金属被覆層６．１又はセラミック板５の上の金属被
覆層６を作るために、基板５（穴１０゜１７を有する）
と取付板１２０両面は銅によって被覆される。セラミッ
ク板５又は１２の上面に金属被覆層６又は６．１を適当
に形成し大径、下側補償円板７．１と注入管１６を直接
がンディングで基板５の上面に取付ける結合工程を円滑
に行なうためＫ、下側補償円板７．１を鋼で被覆する。
このようにして行なう直接がンディングによる取付けは
部材を軟質はんだで取付けるよし有利である。それは、
軟質はんだ付は部材の場合は、作動液１５（脱イオン水
）により腐食問題が起こる恐れがあるからである。
続いて次の結合工程の準備のために取付板１２、枠１１
及び予め装備した基板５を積み重ねる。
特にその後の真空状態の安定性を高めるために、適当な
材料のスペーサ１８を基板５と取付板１２の間の空隙に
挿設することが好ましい。このスペーサ１８を例えば枠
１１に突設してもよい。
次に結合工程（直接がンディング）が行われ、処理し、
□後続の軟質はんだ付は工程を容易にする丸めの、外側
の銅面に対する化学的（す力わち電流を流さない）ニッ
ケルメッキが行なわれる。すなわち電力用半導体部品４
、上伸補償円板７．２、接続端子３．８その他の部材は
はんだ付けされプラスチックケースに封入される。次に
若干の作動液１５、例えば水を注入管Ｊ６を経て１ヒー
トポンプ１４に充填し、蒸気室１３を約２，００（１：
いし３，０００Ｐａｉで減圧し、注入管１６が外部に対
して気密となるように押しつぶす。
陽極接点面の直径２５■の電力用半導体部品（サイリス
タ）と基板５の直径２１■の開口ＪＯを備え、本発明に
基づいて形成された上記の毎ジュールに対して行なった
試験により、電力用半導体部品４の活性部（Ｊｕｎｃｔ
ｉｏｎ　）と冷却体２０間にＲｔＪＫ＝　０．０６　Ｋ
／’Ｗ（７）直流熱抵抗カ得うれることが確認された。
この値は同様の非絶縁型両面冷却円板電池の場合にほぼ
相当する。上記試験に基づいて本発明によりて達成され
六進歩を比較するには、上記の実効熱抵抗値とヒート・
母イブを用いない同じ絶縁型部品（純度９９．５チのｈ
ｔ２ｏ３から成る厚さ０．６４−のセラミック板）の実
効熱抵抗値である０、　１５　Ｋ／Ｗを比べればよい。
第２図は取付は位置を任意に選べる（すなわち重力と無
関係の）電力用半導体モジュールＪの、本発明に基づ〈
実施例を示す。任意の取付は位置が毛細管構造１９．２
０．２１によって達成される。この毛細管構造による毛
細管作用により、凝縮した作動液１５は高温部、すなわ
ち下側補償円板７．１の所に戻される。
毛細管構造１９，２０，２λを形成するために、基板５
、枠１１及び取付板１２を組立てる前に、細かい目の銅
線ネッ）１９を取付板１，２の冷却体２の後側に張り、
また直径が約５−で取付板１２と補償円板７．１の間隔
に相当する高さの銅又はセラミック製の多孔質焼結成形
体２０を下側補償円板７．１の中央部の下に挿入する。
これらの部材１９．２０は直接ゲンディングにより固定
される。一方、下側補償円板７．１はヒートノタイデ１
４の内室に臨む側に毛細管系２１を有する０毛細管系２
１は基板５の開口Ｊ０の丁度縁端にまで達している。
もちろん当業者には、毛細管構造を用いるほか多数の方
式が知られている。その１例は、銅線ネット１９の代り
に、金属被覆層６．１に条溝を設けることである。
電力用半導体部品４の内部の不均一な通電（いわゆる傾
斜負荷）によりて、電力用半導体部品４に不拘−表発熱
がこることがある。このような場合には通常、モリブデ
ンから成る下側補償円板７．１と作動液１５の接触面の
温度分布は不均一となる。すカわちモリブデンの熱伝導
性は、電力用半導体部品４からの熱流を補償円板７．１
の全面に一様に分配するのに十分で危い。
このため高温部にいわゆる高温点が生じ、いわゆるフィ
ルムゲイリング（Ｆｉ１ｍｓｉｓｄ＠ｎ　）が起こるた
めに、この高温点が乾燥して更に過熱され、一方、温度
が低い場所では、該温度は良好な放熱のために有効力気
泡沸騰を生ずる沸騰温度に到達し々い。従って、上記の
ような温度分布の発生のために有効に作用する高温部の
減少が生ずる。
第３図に示す好適な実施例では、特別のヒータ２２が設
けられ、加熱部に配設するという対応策が講じられてい
る。ヒータ２２は熱伝導良好な材料、例えば銅から成り
、電力用半導体部品４に生じた熱を熱拡散により大きな
面に分配することができる。
上記ヒータ２２は第１図及び第３図に示す、毛細管構造
１９を設けられないヒート／母イグ１４の実施例に対し
て特に効果的であるが、毛細管構造１９を備えたヒート
・臂イブ１４を使用する場合にも適用することができる
。
上記ヒータ２２の用途は、本発明の構造のモジュールに
限定されない。ピートノ４イブ１４が統合され、電力用
半導体部品４が直接に又は中間層を介してピートノ４イ
ブ１４と結合するすべての電力用半導体モジュールに使
用することができる。
ヒータ２２は下側補償円板７．１にはんだ付けして用い
ることができる。熱膨張係数が電力用半導体部品４す危
わちシリコンに適応した材料をヒータ２２のために選ぶ
々らば、鋼層６に気密に直結することができる１例えば
銅−モリブデンのような焼結金属から成る集積部材を補
償円板及びヒータとして設けることが好ましい。
ヒータ２２と作動液１５の接触面を拡大するために、ヒ
ータ２２の蒸気室１３に臨む側にフィン構造２３、例え
ば条溝を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
第１図は毛細管構造のないヒート／クイズ（重力形ヒー
ト・母イブ）を有する電力用半導体モジュールの断面図
、第２図は毛細管構造を含むヒート・クイズを備えた電
力用半導体モジュールの断面図、第３図は高温部に特別
のヒータを配設したヒート・ぐイゾを有する電力用半導
体モジュールの断面図を示す。 ４・・・電力用半導体部品、５・・・基板、７．１・・
・補償円板、１０・・・開口、１１・・・枠、１２・・
・取付板、１３・・・蒸気室、１４・・・ヒート／クイ
ズ、１５・・・基板、１６・・・注入管、１８・・・ス
ペーサ、１９〜２ノ・・・毛細管構造、２２・・・ヒー
タ、２３・・・フィン構造。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）金属被覆を有するセラミック取付板上の少くとも
    １個の電力用半導体部品と、電力用半導体部品から放出
    される熱を電力用半導体部品の底面に比して大きなヒー
    トパイプの凝縮区域の面に分配するために、電力用半導
    体モジュールに統合された少くとも１個のヒートパイプ
    を有する電力用半導体モジュールにおいて、 両面に金属被覆を有するセラミックから成る熱伝導良好
    な取付板（１２）が設けられ、枠（１１）を介して基板
    （５）に気密に結合されてヒートパイプ（１４）の蒸気
    室（１３）を構成し、かつ基板（５）が電力用半導体部
    品（４）又は間挿された補償円板（７．１）の下の区域
    に開口（１０）を有する ことを特徴とする電力用半導体モジュール。
  2. （２）作動液（１５）を電力用半導体部品（４）の下の
    高温部に返送するために、ヒートパイプ（１４）の内部
    に毛細管構造（１９、２０、２１）が配設されているこ
    とを特徴とする、特許請求の範囲第（１）項に記載の電
    力用半導体モジュール。
  3. （３）基板（５）と取付板（１２）の間に支持部材（１
    ８）が配設されていることを特徴とする、特許請求の範
    囲第（１）項又は第（２）項に記載の電力用半導体モジ
    ュール。
  4. （４）部材（５、７．１、１１、１２）が１回又は複数
    回の直接ボンディング工程により互いに結合されて、ヒ
    ートパイプ（１４）の壁体を形成することを特徴とする
    、特許請求の範囲第（１）項ないし第（３）項のいずれ
    か１に記載の電力用半導体モジュール。
  5. （５）作動液（１５）と接触するヒートパイプ（１４）
    のすべての部材（５、７．１、１１、１２、１６、１８
    ないし２１）がセラミック、銅、若しくは銅で被覆され
    たセラミックで形成されていることを特徴とする、特許
    請求の範囲第（１）項ないし第（４）項のいずれか１に
    記載の電力用半導体モジュール。
  6. （６）熱伝導良好な取付板（１２）が純度少くとも９６
    ％Ａｌ＿２Ｏ＿３、好ましくは９９．５％Ａｌ＿２Ｏ＿
    ３のセラミックで作られていることを特徴とする、特許
    請求の範囲第（１）項ないし第（５）項のいずれか１に
    記載の電力用半導体モジュール。
  7. （７）ヒートパイプ（１４）の高温部に熱伝導良好な材
    料から成るヒータ（２２）が配設されていることを特徴
    とする、特許請求の範囲第（１）項ないし第（６）項の
    いずれか１に記載の電力用半導体モジュール。
  8. （８）ヒータが蒸気室（１３）に臨む側にフィン構造（
    ２３）を具備することを特徴とする、特許請求の範囲第
    （７）項に記載の電力用半導体モジュール。
  9. （９）ヒータ（２２）が銅から成ることを特徴とする、
    特許請求の範囲第（７）項又は第（８）項に記載の電力
    用半導体モジュール。
  10. （１０）ヒータ（２２）が補償円板（７．１）にはんだ
    付けされていることを特徴とする、特許請求の範囲第（
    ７）項ないし第（９）項に記載の電力用半導体モジュー
    ル。
  11. （１１）ヒータ（２２）と補償円板（７．１）が１個の
    構成部分にまとめられ、かつ熱膨張率が電力用半導体部
    品（４）に適応する材料から成ることを特徴とする、特
    許請求の範囲第（７）項ないし第（９）項に記載の電力
    用半導体モジュール。
  12. （１２）取付板（１２）が冷却体（２）と結合されてい
    ることを特徴とする、特許請求の範囲第（１）項ないし
    第（１１）項のいずれか１に記載の電力用半導体モジュ
    ール。
JP61028049A 1985-02-14 1986-02-13 ヒートパイプを統合した電力用半導体モジユール Pending JPS61187351A (ja)

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