特許 6887507 誘電体キャリアを備えるパワーエレクトロニクスモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6887507

(24)【登録日】2021年5月20日

(45)【発行日】2021年6月16日

(54)【発明の名称】誘電体キャリアを備えるパワーエレクトロニクスモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20210603BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20210603BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20210603BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

   H01L25/04 C

【請求項の数】15

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2019-540655(P2019-540655)

(86)(22)【出願日】2018年1月29日

(65)【公表番号】特表2020-505777(P2020-505777A)

(43)【公表日】2020年2月20日

(86)【国際出願番号】FR2018050197

(87)【国際公開番号】WO2018142053

(87)【国際公開日】20180809

【審査請求日】2019年9月20日

(31)【優先権主張番号】1750774

(32)【優先日】2017年1月31日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】517202755

【氏名又は名称】スーパーグリッド インスティテュート

(73)【特許権者】

【識別番号】596096180

【氏名又は名称】ユニベルシテ・クロード・ベルナール・リヨン・プルミエ

(73)【特許権者】

【識別番号】502261956

【氏名又は名称】エコール セントラル ドゥ リヨン

(73)【特許権者】

【識別番号】513023066

【氏名又は名称】アンスティトゥー ナショナル デ サイエンシーズ アプリーク ドゥ リヨン

(73)【特許権者】

【識別番号】506316557

【氏名又は名称】サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィック

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】ブティ シリル

【審査官】 多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１１２９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０６９６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２３１０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３０８２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１９６８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２０６９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４３８２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／４７３、２５／００−２５／１８、

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

接続導体（６、７）に接続された少なくとも１つの半導体（５）を含むパワーエレクトロニクスモジュール（１）であって、
前記接続導体（６）の少なくとも１つが取り付けられる固定層（９）と、可動層（１１）の両方を有し、前記固定層（９）及び前記可動層（１１）は同様の誘電率を示し、少なくとも１つの前記接続導体（６）に向かい合う少なくとも１つの面に沿って重ねられる誘電体キャリア（１０）を含むことを特徴とする、
モジュール。

【請求項2】

前記可動層（１１）の誘電率と前記固定層（９）の誘電率との差が、前記固定層（９）の誘電率の５０％より小さいことを特徴とする、
請求項１に記載のモジュール。

【請求項3】

前記可動層（１１）の誘電率と前記固定層（９）の誘電率との差が、前記固定層（９）の誘電率の２０％より小さいことを特徴とする、
請求項２に記載のモジュール。

【請求項4】

前記半導体及び前記接続導体（６、７）の周囲に配置されたフィラーゲル（２６）をさらに含み、該フィラーゲル（２６）の誘電率は前記固定層（９）の誘電率と類似していることを特徴とする、
請求項１から３のいずれか１項に記載のモジュール。

【請求項5】

前記可動層（１１）は、テクスチャー化された接触界面に沿って前記固定層（９）と接触することを特徴とする、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のモジュール。

【請求項6】

前記可動層（１１）の導電率が前記固定層（９）の導電率と同等であることを特徴とする、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のモジュール。

【請求項7】

前記固定層（９）の絶縁耐力及び前記パワーエレクトロニクスモジュール（１）の最大電圧を考慮して、前記固定層（９）の厚さが絶縁の臨界厚さよりも小さいことを特徴とする、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のモジュール。

【請求項8】

前記固定層（９）の厚さと前記可動層（１１）の厚さとの合計が、絶縁の前記臨界厚さよりも大きいことを特徴とする、
請求項７に記載のモジュール。

【請求項9】

前記固定層（９）は誘電体セラミック基板から構成されることを特徴とする、
請求項１〜８のいずれか１項に記載のモジュール。

【請求項10】

前記可動層（１１）が誘電性流体から構成されることを特徴とする、
請求項１〜９のいずれか一項に記載のモジュール。

【請求項11】

前記可動層（１１）の誘電性流体は、前記固定層（９）の全領域にわたって広がるチャンバ内に含まれ、前記固定層（９）及び前記可動層（１１）は重なり合う同一の面積を有することを特徴とする、
請求項１０に記載のモジュール。

【請求項12】

前記可動層（１１）の流体は、少なくとも１つの前記接続導体（６）に向かい合う領域のみに広がる少なくとも１つのより小さいチャンバ（２５）内に収容され、
前記固定層（９）及び前記可動層（１１）は、少なくとも１つの前記接続導体（６）に向かい合う面全体にわたって重ねられることを特徴とする、
請求項１０に記載のモジュール。

【請求項13】

前記チャンバは、流体の移動性が対流によって提供される密閉チャンバであることを特徴とする、
請求項１１又は１２に記載のモジュール。

【請求項14】

前記チャンバは、冷却回路に接続されていることを特徴とする、
請求項１１又は１２に記載のモジュール。

【請求項15】

前記可動層（１１）の流体の沸騰温度は、動作中の前記パワーエレクトロニクスモジュール（１）の温度よりも低く、二相冷却を提供することを特徴とする、
請求項１０〜１４のいずれか１項に記載のモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワーエレクトロニクスの分野に関し、より詳細には、高電圧が放熱及び電気絶縁に関して制約をもたらすスイッチングパワー回路に関する。

【背景技術】

【0002】

高電圧は、具体的には、動作時にパワーコンポーネントによって生成される熱を放散する必要性と、電位の実質的な違いにさらされる要素を電気的に絶縁する必要性の両方に関連する問題につながる。

【0003】

パワーエレクトロニクスの目的は、最大効率で電気エネルギーの表示を変更することである。これは、特に、ＡＣからＤＣへの変換（整流回路）、ＤＣからＡＣへの変換（インバータ回路）、ＡＣ電圧のＲＭＳ値の変更（調光回路）、ＤＣ電圧の平均値の変更（チョッパー回路）又は、ＡＣ電圧の周波数の変更（サイクロコンバータ回路）の形式を取る。

【0004】

この分野では、通常、接続端子が取り付けられ、接続導体によって接続端子に接続される１つ以上のパワー半導体を含む、ハウジングの形状をとるパワーエレクトロニクスモジュールが用いられるのが一般的である。パワー半導体は、高電圧、電流及び／又はスイッチング周波数レベルで動作するため、熱を放出する。結果として生じる加熱は相当なものであり、パワーエレクトロニクスモジュールが正しく安全に動作するように、アクティブ又はパッシブの放熱デバイスを設ける必要がある。さらに、高電圧の場合、接続導体間に実質的な電位差が生じる。このため、電気アークの形成、さらにはモジュールの破壊を防ぐために電気絶縁が必要である。

【0005】

放熱と電気絶縁の問題を解決するために一般的に用いられる解決策は、電気絶縁体であり、十分な熱伝導特性を示す、通常セラミック製のキャリア基板に各半導体とその接続導体を取り付けることである。さらに、セラミックは冷却装置と接触し、放散される熱が、受け取った熱を熱伝達流体（空気、水、又は他の流体）に放散する冷却装置に到達するまでセラミックを通して拡散される。

【0006】

とりわけ、エネルギー源の急増、特に再生可能エネルギーの生産、及びこれらのエネルギーのグリッドへの接続に関して、新たな問題が生じている。風力タービン（交流）又は太陽光パネル（直流）などの異種ソースからのエネルギーの生産には、配電網内で交流を直流に、又はその逆に変換するためのステーションの導入が必要である。さらに、このエネルギーの分配には、例えば、高圧直流送電用のネットワークを提供するなど、グリッド自体の再設計が必要である。これは、特に、新たな目的で、パワーエレクトロニクスモジュールが電気ネットワークに導入されたり、高電圧での絶縁に関するより困難な直流のスイッチングが引き起こされる。これらの新しい制約に加えて、アプリケーションの分野全体に適用される、パワーエレクトロニクスモジュールの寸法を縮小する方向、及び／又は、そこに含まれる半導体の密度を増加させる方向に継続的な傾向がある。

【0007】

これらの新たな問題では、パワーエレクトロニクスモジュールの放熱能力を改善すると同時に、電気絶縁性を改善する必要がある。

【0008】

例えば、アルミニウム又は窒化ホウ素などのキャリア基板を製造するために先行技術で用いられるセラミックは、パワーエレクトロニクス産業と互換性のあるコストで、熱伝導性（放熱用）及び電気絶縁性の点で優れている。導電性と絶縁性の両方の点でこれらのセラミックよりも優れた性能を発揮する材料があるが、これらは、エレクトロニクス用途（ダイヤモンドなど）を除いて法外に高価であるか、これらの用途（酸化ベリリウムなど）を除いて有毒であるか、環境的危険を表す。

【0009】

従って、従来技術のパワーエレクトロニクスモジュールの電気絶縁性を改善するための一般的な解決策は、厳しい条件にさらされる場合のキャリア基板の厚さを増加させることにある。しかし、熱は熱伝達流体によって引き出される前に、まずより厚い基板を通過しなければならないため、この厚さの増加は放熱能力の減少にもつながる。基板材料の熱伝導率は高いものの、理想とはほど遠いものであり、その厚さを再び調整することは、放熱機能と電気絶縁機能のトレードオフになる。一方を促進することは他方を損なうことになる。

【0010】

特許第８４３２０３０号明細書は、第２冷却装置によってモジュールの放熱能力を増加させることにより、この問題が軽減される、パワーエレクトロニクスモジュールを開示している。この解決策は、半導体のキャリア基板と相互作用する従来の冷却装置を提案し、さらに半導体の反対面に作用する第２冷却装置を提案する。冷却手段を２倍にすると、数学的に言えば、放熱が向上するが、より複雑で、高価で、コンパクトではない解決策になる。

【0011】

欧州特許第２２７７３６５号明細書は、２つの冷却装置が半導体の両側に作用する、前述のものと同様の解決策を実装するパワーエレクトロニクスモジュールを冷却するためのシステムを開示している。また、熱伝達流体として二相流体を用いることにより、放熱能力が向上する。二相流体は沸点が低いため、冷却される要素と接触すると液体状態から気体状態に移行し、相変化により冷却性能が向上する。この解決策も同様に、モジュールの冷却能力を向上させるが、その代償として複雑さが増す。

【0012】

上記のような従来技術の様々な冷却モジュールでは、電気絶縁に関して性能の向上を必要とする厳しい条件は、キャリア基板の厚さの増加をもたらし、その結果、冷却性能の低下をもたらす。この低下は、上記のより複雑な冷却装置によってその後軽減される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】米国特許第８４３２０３０号明細書

【特許文献2】欧州特許第２２７７３６５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明の目的は、先行技術のパワーエレクトロニクスモジュールを改良することである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

この目的のために、本発明の主題は接続導体に接続された少なくとも１つの半導体を含み、前記接続導体の少なくとも１つが取り付けられる固定層と、可動層の両方を有し、前記固定層及び前記可動層は同様の誘電率を示し、少なくとも１つの前記接続導体に向かい合う少なくとも１つの面に沿って重ねられる誘電体キャリアを含む、パワーエレクトロニクスモジュールである。

【0016】

材料の誘電率は、ボルト及びメートルあたりのクーロン（Ｃ.Ｖ^−１.ｍ^−１）又はメートルあたりのファラッド（Ｆ.ｍ^−１）で表される材料の誘電率により、この材料に対する電界の影響を測定することができる。この誘電率は、「比誘電率」又は「材料の誘電率」と呼ばれる無次元量として表現することもできる。これは、問題の材料の誘電率を得るために真空の誘電率を乗じる係数である。

【0017】

固定層と可動層の誘電率が同じであるという特徴は、固定層の誘電率と可動層の誘電率が、重ね合わせたこれら２つの層によって形成されるアセンブリに十分近い値を取ることを意味し、電界にさらされたときに均一な振る舞いを示すため、電位勾配を誘電体キャリアの厚さ全体に均一に分布させることができる。従って、固定層の誘電率と可動層の誘電率は、この均一な振る舞いを可能にするのに十分であるか、又は等しい。ブレークダウン効果、より一般的には、高電圧下でのモジュールの劣化の影響は、例えば鋭角で形成されるピーク電位の領域で促進される。逆に、電位勾配の均一な分布により、これらの影響を回避できる。

【0018】

１つの好ましい特徴によれば、前記可動層の誘電率と前記固定層の誘電率との差が、前記固定層の誘電率の５０％より小さい、さらには２０％より小さい場合、キャリアの誘電率の誘電層のそれぞれの誘電率は類似しているといわれる。

【0019】

誘電体キャリアを層状に配置し、誘電率を均一化することにより、誘電体キャリアが電界にさらされたときに電位勾配を最適に分布させることができるため、固定層の厚さに関係なく誘電体キャリアの電気絶縁能力が向上し、この層は熱交換を促進するようにサイズ調整される、すなわち薄くされ得る。

【0020】

本発明は、一方を増やしても他方が損なわれないように、冷却に関する性能と電気絶縁に関する性能の非相関化を提案するため、技術分野における一般的な推論に反する。従来技術のキャリア基板及び冷却装置の機能は、ここでは、同一の誘電体キャリアによって実行され、その２つの層は、一方が固定で、他方が可動であり、それぞれ冷却及び絶縁機能の両方に関与しており、これらの機能が競合することはない。

【0021】

さらに、特に絶縁される電圧が連続的である場合、別の物理的特性が材料の電界分布に役割を果たす。その導電率である。別の特徴によれば、パワーエレクトロニクスモジュールは、同等の導電率を示す固定層と可動層を有してもよい。絶縁体の導電率は大きく異なるため（１０^−８〜１０^−２０Ｓ．ｍ^−１）、固定層と可動層の導電率は、それらが１０の比率内にある場合、つまり最高の導電率が最低の導電率の１０倍低い場合に、同等であると見なされる。

【0022】

パワーエレクトロニクスモジュールには、個別に又は組み合わせて、以下の追加機能が含まれ得る。
−パワーエレクトロニクスモジュールは、半導体及び接続導体の周囲に配置されたフィラーゲルをさらに含み、該フィラーゲルの誘電率は固定層の誘電率と類似している。
−可動層は、テクスチャー化された接触界面に沿って固定層と接触する。
−固定層は誘電体セラミック基板から構成されている。
−可動層は誘電性流体から構成されている。
−可動層の誘電性流体は、固定層の全領域にわたって広がるチャンバ内に含まれ、固定層及び可動層は重なり合う同一の面積を有するか、あるいは、前記可動層の流体は、少なくとも１つの接続導体に向かい合う領域のみに広がる少なくとも１つのより小さいチャンバ内に収容され、固定層及び可動層は、少なくとも１つの接続導体に向かい合う面全体にわたって重ねられる。
−１つ又は複数のチャンバは、流体の流動性が自然対流によって提供される密閉チャンバであるか、又は、代わりに、前記１つ又は複数のチャンバは冷却回路に接続される。
−可動層の流体の沸騰温度は、二相冷却を提供するために、動作中のパワーエレクトロニクスモジュールの温度よりも低い。

【0023】

固定層の材料が何であれ、本発明は、絶縁の必要性が増大した場合でも、その厚さを薄くすることを可能にし、ここで「絶縁体の臨界厚さ」と呼ばれる、そのブレークダウン電圧によって決定される最小厚さを下回るまで、この厚さを減少させることを可能にする。例えば、誘電体キャリアの固定層に使用されるセラミックのブレークダウン電圧が２５ｋＶ／ｍｍ（通常の安全係数を含む）である場合、２５ｋＶを対象とするモジュールの絶縁体の臨界厚さは１ｍｍになる。この場合、固定層の厚さが１ｍｍ未満になる可能性がある。固定層の絶縁作用は、必要なレベルに到達するために、固体であろうと流体であろうと、材料に関係なく、可動層によって補完される。

【0024】

したがって、固定層の絶縁耐力とパワーエレクトロニクスモジュールの最大電圧、つまり接続導体に印加され得る最大電圧を考慮すると、固定層の厚さは、絶縁体の臨界厚さよりも小さくなり得るが、固定層の厚さと可動層の厚さの合計は、絶縁体の臨界厚さよりも大きい。

【0025】

本発明の１つの好ましい例示的な実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】図１は、本発明係るパワーエレクトロニクスモジュールの断面図である。

【図2】図２は、図１のパワーエレクトロニクスモジュールの上面図である。

【図3】図３は、ハウジングのない図１のパワーエレクトロニクスモジュールの上面図である。

【図4】図４は、図１のパワーエレクトロニクスモジュールの底面図である。

【図5】図５は、図１のパワーエレクトロニクスモジュールの伝熱流体回路を概略的に示している。

【図6】図６は、図１のいくつかの要素の部分断面図であり、誘電体キャリア内の電位分布を示している。

【図7】図７は、従来技術のパワーエレクトロニクスモジュールの、図５と同様の図である。

【図8】図８は、本発明に係るパワーエレクトロニクスモジュールの一変形実施形態の底面図である。

【図9】図９は、図８の変形例に係るパワーエレクトロニクスモジュールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図１〜４は、本発明によるパワーエレクトロニクスモジュール１を示している。それは、モジュール１を接続するための第１端子３と第２端子４が取り付けられたハウジング２を含む。説明を簡単にするため、パワーエレクトロニクスモジュール１は、２つの端子３、４と、２つのポールを備える、単一の半導体５を含む単純なモジュールである。

【0028】

図２の上面図は、モジュール１を意図する回路に電気的に接続するためにハウジング２の外側からアクセス可能な２つの端子３、４を示している 第１端子３及び第２端子４は、モジュール１内で、それぞれ第１接続導体６及び第２接続導体７に接続されている。本例では２つのポールを有する半導体５は、接続導体６、７のそれぞれに接続される。従って、半導体５は、その面の１つがはんだ付けワイヤ８を介して第１接続導体６に接続されて、その第１極の接合部を形成し、その反対面が第２接続導体７にはんだ付けされて、第２極の接合部を形成する。

【0029】

２つの接続導体６、７は、この例では、ハウジングのないモジュール１の上面図である図３に示すように２つの銅の長方形である。これら２つの接続導体６、７は、誘電体キャリア１０の固定層９上に取り付けられ、誘電体キャリア１０は、固定層９の下に可動層１１も含む。可動層１１は、明瞭にするためにハッチングされている。誘電体キャリア１０の固定層９と可動層１１は、この例では平行六面体であり、その厚さは図１で見ることができ、その長さと幅は図４で見ることができる（ハウジングのないモジュール１を示す図４の底面図、誘電体キャリア１０はハッチング領域を占有する）。

【0030】

固定層９は、半導体５の機械的支持及び取り付けを提供し、また、半導体５から発せられる熱を可動層１１に熱伝導する。それは、接続導体６、７間の電気絶縁にも寄与するが、部分的にのみである。

【0031】

従って、固定層９の厚さは、電気絶縁の必要性に左右されることなく、半導体５に機械的強度を提供するのにちょうど十分であり得る。具体的には、以下で説明するように、可動層も絶縁耐力に関与していることを考えると、この厚さは、モジュール１が特定の電圧に接続されたときに必要な絶縁耐力を提供するのに十分ではない場合がある。

【0032】

可動層１１は、その一部として、モジュール１内の電気アークを防止する電気絶縁を提供又は補完し、また固定層９から受け取った熱を除去する。

【0033】

可動層１１の電気絶縁機能は、固定層９と直接接触するこの層を通して、及びその構成材料の選択を通じて実行され、電場効果への反応におけるその特性は、固定層９のそれらと類似しており、これは、固定層９の誘電率が可動層１１の誘電率と類似していることを示している。固定層９と可動層１１は、コヒーレント絶縁体を形成し、その総厚は回路に接続されている端子３、４を介してモジュール１に印加される所定の電圧に必要な絶縁耐力に応じて十分なサイズにする。誘電体キャリア１０の全体の厚さは、固定層９と可動層１１を合わせた厚さに相当する。

【0034】

一変形例（図示せず）によれば、可動層は、テクスチャー化された接触界面に沿って固定層と接触する。従って、固定層は、固定層と可動層の連結を促進するために、フィン状、シケイン状、又は他のパターン化されたテクスチャーを有してもよい。

【0035】

他の変形例によれば、可動層１１の材料の導電率は、固定層９の熱伝導率にさらに匹敵し、誘電体キャリア１０の厚さ全体にわたる電界の分布も促進する。従って、固定層９及び可動層１１の導電率はここでは１０倍以内である。

【0036】

本実施例では、可動層１１を生成するために選択された材料は、固定層９とハウジング２（図１を参照）によって画定されるチャンバ内に含まれる誘電性流体である。可動層１１は、固定層９の全領域にわたって広がり、固定層９及び可動層１１は、同一の面積を有し、この全領域にわたって重ねられている。熱除去機能は、熱の除去を可能にする流体の流れを設定する冷却回路に接続された流体入口１２及び流体出口１３を介して移動する可動層１１によって実行される。

【0037】

そのような冷却回路２１が図５に示されている。可動回路１１を形成する流体が流れることにより、パワーエレクトロニクスモジュール１から熱を除去することができる。図示された例では、冷却回路２１はタンク２２及び必要な数のパワーエレクトロニクスモジュール１を通して流体が流れることを可能にするポンプ２３を含む。実際、複数のモジュール１を含む設備に対して単一の冷却回路２１を設けることができる。従って、図５のパワーエレクトロニクスモジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆは、同じ流体を利用して、それぞれの可動層１１を形成する。これらのパワーエレクトロニクスモジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ間の点線の接続は、流体が直列及び／又は並列に接続されたモジュールを通って流れることを示している。

【0038】

さらに、流体は二相挙動を示すように選択することができ、この場合、冷却回路２１は凝縮器２４を含む。そのような二相流体の沸騰温度は、パワーエレクトロニクスモジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆで受ける温度よりも低い。従って、流体は、液体状態でポンプ２３を出て、パワーエレクトロニクスモジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆで少なくとも部分的に気化され、その後、凝縮器２４で液体状態に戻る。この場合、パワーエレクトロニクスモジュール１の可動層１１は、流れる液体、気体、又は２つの組み合わせからなる。

【0039】

代替的に、流体は、冷却回路２１なしで可動層１１を画定するチャンバ内に閉じ込められたままであり、自然対流によって流体の動きが生じ、より高温である固定層９に近接する流体とより低温である固定層９からさらに離れた流体間の動きが生じるようにしてもよい。流体のこの内部運動は、放熱の要件が制限されている場合、すなわち、加熱が少ない半導体５の場合、可動層１１を運動させるのに十分である。

【0040】

いずれにしても、冷却は、ハウジング２の放熱フィンなど、放熱を高めるための既知の追加機能によって強化される。

【0041】

１つの代替案（図示せず）によれば、流体可動層１１の代わりに、可動層１１は、固定層９に対する運動が与えられる材料の可撓性又は剛性ストリップの形態で製造されてもよい 材料のこのストリップが固定層９に対して移動すると、熱が除去される。

【0042】

従って、可動層１１は、固体、液体又は気体、剛性又は可撓性材料、又はそれらの組み合わせから構成されてもよい。可動層１１の構成が何であれ、それは、誘電体キャリア１０が半導体１７によって生成された熱を除去することを可能にするように、固定層９に対して移動している。

【0043】

さらに、可動層１１の構成材料の誘電率は、固定層９の構成材料の誘電率と同程度である。この例では、固定層９を形成するために選択される材料は窒化アルミニウムであり、比誘電率は これは８．５に等しく、可動層１１を形成するために選択された材料はフルオロケトン流体であり、その比誘電率は７に等しい。従って、固定層９と可動層１１の誘電率の値の差は、固定層９の誘電率の２０％を超えない。あるいは、この差は、固定層９の誘電率の５０％に達し得る。従って、誘電体キャリア１０は、誘電率に関して均一なセットを形成し、電界の存在下で均一な挙動を示す。

【0044】

パワーエレクトロニクスモジュール１は、半導体５及びその接続部が浸漬される誘電性フィラーゲル２６を任意選択で含むことができる（ゲル２６は図１に示されている）。ゲル２６の材料は、誘電体キャリア１０とゲル２６によって形成されるアセンブリが電界の存在下で均一な挙動を示すように、誘電率が固定層１１の誘電率と同程度になるように選択され得る。従って、固定層９及び可動層１１の誘電率に関してコヒーレントアセンブリを有することの利点は、固定層９、可動層１１及びゲル２６によって形成されるアセンブリに拡張され得る。上記のように、それらの差が固定層９の誘電率の２０％、あるいは５０％を超えない場合、ゲル２６の誘電率は固定層９の誘電率と同程度であると言われる。

【0045】

図１と同様の図６の図は、誘電体キャリア１０内の電位分布を概略的に示している。この例では、パワーエレクトロニクスモジュール１は、第１端子３、従って第１接続導体６がゼロ電位であり、一方、第２端子４、従って第２接続導体７が高電位、例えば５０００Ｖ ＤＣであるように、接続されていると仮定する。

【0046】

パワーエレクトロニクスモジュール１の構成材料には、電位が０の要素（図６にハッチングで示す）と電位が５０００Ｖの要素（図６にハッチングなしで示す）の間に電位勾配が生じる。誘電体キャリア１０の電位勾配は、図６にグラデーションで示されており、最暗いから最明への遷移は、最高電位（５０００Ｖ）から最低電位（０Ｖ）への遷移を表す。パワーエレクトロニクスモジュール１は、２つの層９、１１で生成されるにも拘わらず、誘電率に関して均一なアセンブリを形成し、電位勾配のこのような均一な分布にとって好ましい、誘電体キャリア１０の厚さ全体に電位勾配を分布させることで、電位を最適に拡散させる。

【0047】

図７は、図６と同様の図であるが、代わりに従来技術のパワーエレクトロニクスモジュール１４を示している。図６及び図７により、本発明及び従来技術に係る電位分布を比較することができる。図７を参照すると、従来技術のパワーエレクトロニクスモジュール１４は、第１接続導体１５及び第２接続導体１６に接続された半導体１７を含む。これらの接続導体１５、１６は、反対側の面に冷却装置１９が設けられた絶縁キャリア基板１８に取り付けられている。銅製の熱ブリッジ２０は、キャリア基板１８を、（図７に示すように）受動的又は（冷却装置１９を通って流れる熱伝達流体により）能動的であり得る冷却装置１９に熱的に接続する。

【0048】

上記と同じ条件下（０Ｖの電位の第１接続導体１５及び５０００Ｖ ＤＣの電位の第２接続導体１６）で、電位勾配は、従来技術を示すこの図７のグラデーションで同様に表される。キャリア基板１８は、半導体１７と冷却装置１９との間で放散される熱を伝導し、接続導体１５、１６にすべての電気絶縁を提供するという二重の機能を実行する。従って、電位は、キャリア基板１８の厚さ全体にのみ分配され得る。キャリア基板１８のベースが熱ブリッジ２０と接触する正確な位置では、電位は０の値まで低下しているに違いない。

【0049】

従来技術を示すこの図７は、比較により、図６に示される本発明により可能になる、厚さ全体にわたる電位の有利な分布を強調することを可能にする。

【0050】

図８及び図９は、本発明に係るパワーエレクトロニクスモジュールの可動層の一変形実施形態に関する。これらはそれぞれ図４及び１に類似しており、対応する要素には同じように符号が付されている。

【0051】

この変形実施形態によるパワーモジュール１はまた、第１接続導体６及び第２接続導体７に接続される半導体５を含み、アセンブリ全体は、固定層９及び可動層１１からなる誘電体キャリア１０に取り付けられる。変形実施形態は、可動層１１を特に対象とし、これは、ここでは第１接続導体６に向かい合う面に限定される。図８は、ハウジング２なしで概略的に示されるパワーエレクトロニクスモジュール１の底面図であり、第１接続導体６及び第２接続導体７の輪郭を破線で示す。エンクロージャ２５は、可動層１１によって占有されるチャンバを画定し、このチャンバは、第１接続導体６の輪郭に面する領域全体にわたって広がる（図８参照）。このようにして、固定層９と可動層１１は、接続導体６に向かい合って重ね合わされる（図９参照）。言い換えれば、第１接続導体６によって規定される輪郭の外側では、誘電体キャリア１０は固定層９からなる１つの層のみを有し、この輪郭の内側では、誘電体キャリア１０は重ね合わせた固定層９及び可動層１１からなる。流体入口１２及び流体出口１３は、流体がエンクロージャ２５に導かれるように対応して配置される。

【0052】

図８及び９の変形例に係る誘電体キャリア１０の配置は、図６の例のそれに匹敵する方法での接続が意図されており、すなわち、第２接続導体７が０電位であり、第１接続導体６が高電位である。そして、電位は、図６に示されているのと同様の方法で、誘電体キャリア１０の両方の層９、１１にわたって分配される。

【0053】

図８及び９の変形実施形態のように、誘電体キャリアは、単一の拡張固定層と、電位の分配のためのスペースを提供する必要がある、１つ又は複数の接続導体に向かい合って配置された１つ又は複数のより小さな可動層で構成することができる。

【0054】

パワーエレクトロニクスモジュールの他の変形実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく実施され得る。例えば、固定層９及び可動層１１の形状は、理解を容易にするためにここで説明した単純な長方形よりも複雑であり、同じことが接続導体６、７にも当てはまる。さらに、ここに示した簡単な例に加えて、パワーエレクトロニクスモジュール1は、複数、又は非常に多くの接続導体６、７及び対応する半導体を含むことができ、これらは、例えばパワートランジスタ、パワーサイリスタ、パワーダイオードレギュレーター、コントローラー、アンプなどであり得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】