特開 2024-59580 ２重のグラファイト層を含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ、及びパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを組み込んだ冷却板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024059580

(43)【公開日】2024-05-01

(54)【発明の名称】２重のグラファイト層を含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ、及びパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを組み込んだ冷却板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240423BHJP

   H01L 23/373 20060101ALI20240423BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240423BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 C

H01L23/36 M

H05K7/20 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023172570

(22)【出願日】2023-10-04

(31)【優先権主張番号】17/968,162

(32)【優先日】2022-10-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】507342261

【氏名又は名称】トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ，インコーポレイティド

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(74)【代理人】

【識別番号】100167461

【弁理士】

【氏名又は名称】上木 亮平

(72)【発明者】

【氏名】ファン ティエンチュー

(72)【発明者】

【氏名】フォン チョウ

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA02

5E322AA05

5E322AA10

5E322AA11

5E322DA00

5E322DB12

5E322FA04

5F136BB01

5F136BB18

5F136DA27

5F136FA01

5F136FA23

5F136FA82

5F136GA02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】コンパクトなパッケージサイズを維持しつつ、パワーエレクトロニクスデバイスの冷却を改善する。
【解決手段】パワーエレクトロニクスアセンブリは、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６と、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを組み込んだ冷却板１０２と、を含む。冷却板は、Ｓセル１２１及びパワーエレクトロニクスデバイス１４０を含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６を含む。Ｓセルは、第１のグラファイト層と、第２のグラファイト層と、第１のグラファイト層及び第２のグラファイト層を覆う金属層と、を含み、凹部は、金属層の外面内に形成され、パワーエレクトロニクスデバイスは、外面の凹部内に配置されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却板を備えるパワーエレクトロニクスアセンブリであって、前記冷却板は、
Ｓセルを備えるパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリであって、前記Ｓセルは、
第１のグラファイト層と、
第２のグラファイト層と、
前記第１のグラファイト層及び前記第２のグラファイト層を覆う金属層と、を備え、前記金属層の外面内に凹部が形成されている、前記パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリと、
前記Ｓセルの前記外面の前記凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、
を備える、
パワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項2】

前記第１のグラファイト層は、第１の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ第２の軸線及び第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きであって、
前記第２のグラファイト層は、前記第２の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ前記第１の軸線及び前記第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きである、
請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項3】

前記Ｓセルの熱分配は、前記第１の軸線及び前記第２の軸線に沿って実質的に等しい、
請求項２に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項4】

前記Ｓセルは、正方形形状を有する、
請求項２に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項5】

前記第１のグラファイト層及び前記第２のグラファイト層は各々、０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の厚さを有する、
請求項２に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項6】

複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、前記冷却板の面内に形成されたそれぞれの凹部内に組み込まれている、
請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項7】

電気絶縁層は、各Ｓセルと前記冷却板との間に介在している、
請求項６に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項8】

Ｓセルであって、
第１のグラファイト層と、
第２のグラファイト層と、
前記第１のグラファイト層及び前記第２のグラファイト層を覆う金属層と、を備え、前記金属層の外面内に凹部が形成されている、前記Ｓセルと、
前記Ｓセルの前記外面の前記凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、
を備える、
パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。

【請求項9】

前記第１のグラファイト層は、第１の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ第２の軸線及び第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きであって、
前記第２のグラファイト層は、前記第２の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ前記第１の軸線及び前記第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きである、
請求項８に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。

【請求項10】

前記Ｓセルの熱分配は、前記第１の軸線及び前記第２の軸線に沿って実質的に等しい、
請求項９に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。

【請求項11】

前記Ｓセルは、正方形形状を有する、
請求項９に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。

【請求項12】

前記第１のグラファイト層及び前記第２のグラファイト層は各々、０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の厚さを有する、
請求項９に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。

【請求項13】

前記金属層と前記第１のグラファイト層との間に設けられた第１のろう付け層と、
前記第１のろう付け層と反対側で前記金属層と前記第２のグラファイト層との間に設けられた第２のろう付け層と、
を更に備える、
請求項８に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。

【請求項14】

前記第１のグラファイト層と前記第２のグラファイト層との間に設けられたグラファイト接合層を更に備える、
請求項１３に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。

【請求項15】

冷却板を備えるパワーエレクトロニクスアセンブリであって、前記冷却板は、複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを備え、前記パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、
Ｓセルであって、
第１の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ第２の軸線及び第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きである第１のグラファイト層と、
前記第２の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ前記第１の軸線及び前記第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きである第２のグラファイト層と、
前記第１のグラファイト層及び前記第２のグラファイト層を覆う金属層と、を備え、前記金属層の外面内に凹部が形成されている、前記Ｓセルと、
前記Ｓセルの前記外面の前記凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、
を備え、前記複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、前記冷却板の面内に形成されたそれぞれの凹部内に組み込まれている、
パワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項16】

前記Ｓセルの熱分配は、前記第１の軸線及び前記第２の軸線に沿って実質的に等しい、
請求項１５に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項17】

前記Ｓセルは、正方形形状を有する、
請求項１５に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項18】

前記第１のグラファイト層及び前記第２のグラファイト層は各々、０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の厚さを有する、
請求項１５に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項19】

電気絶縁層は、各Ｓセルと前記冷却板との間に介在している、
請求項１５に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項20】

前記電気絶縁層は、絶縁金属基板誘電フィルムを含む、
請求項１９に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は概して、パワーエレクトロニクスアセンブリに関し、より具体的には、コンパクトなパッケージサイズを達成しつつ全体的な熱抵抗が低いパワーエレクトロニクスアセンブリについての装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

車両においてエレクトロニクスの使用が増加しているため、エレクトロニクスシステムをよりコンパクトにする必要がある。当該エレクトロニクスシステムの構成要素の１つは、インバータ内のスイッチとして使用されるパワーエレクトロニクスデバイスである。パワーエレクトロニクスデバイスは、熱が生成されるため多くの冷却を必要とする。

【0003】

更に、従来はシリコンで構成されていたパワーエレクトロニクスデバイスは現在、シリコンカーバイドで構成される傾向にある。シリコンカーバイドを使用することにより、定めるデバイス設置面積がより小さくなるため、より大きい熱流束が生じる。更に、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、熱拡散を促進するための１つ以上のグラファイト層を含む。しかしながら、このようなグラファイト層は、各軸線に沿って均一な熱拡散能力を提供しない。

【0004】

これらの理由などから、コンパクトなパッケージサイズを維持しつつ、パワーエレクトロニクスデバイスの冷却を改善する必要がある。

【発明の概要】

【0005】

一実施形態では、パワーエレクトロニクスアセンブリは、冷却板を含み、当該冷却板は、Ｓセル及びパワーエレクトロニクスデバイスを含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む。Ｓセルは、第１のグラファイト層と、第２のグラファイト層と、第１のグラファイト層及び第２のグラファイト層を覆う金属層と、を含み、金属層の外面内に凹部が形成されている。パワーエレクトロニクスデバイスは、Ｓセルの外面の凹部内に配置されている。

【0006】

別の実施形態では、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、Ｓセルとパワーエレクトロニクスデバイスとを含む。Ｓセルは、第１のグラファイト層と、第２のグラファイト層と、第１のグラファイト層及び第２のグラファイト層を覆う金属層と、を含み、金属層の外面内に凹部が形成されている。パワーエレクトロニクスデバイスは、Ｓセルの外面の凹部内に配置されている。

【0007】

更に別の実施形態では、パワーエレクトロニクスアセンブリは、冷却板を含み、当該冷却板は、Ｓセル及びパワーエレクトロニクスデバイスを含む複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む。Ｓセルは、第１の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ第２の軸線及び第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きである第１のグラファイト層と、第２の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ第１の軸線及び第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きである第２のグラファイト層と、第１のグラファイト層及び第２のグラファイト層を覆う金属層と、を含み、金属層の外面内に凹部が形成されている。パワーエレクトロニクスデバイスは、Ｓセルの外面の凹部内に配置されている。複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、冷却板の面内に形成されたそれぞれの凹部内に組み込まれている。

【0008】

本明細書で記載される実施形態によって提供されるこれらの特徴及び追加の特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を考慮すると、より完全に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

図面に記載される実施形態は本質的に、実例的で例示的なものであって、特許請求の範囲によって定められる主題を限定することを意図したものではない。以下の図面と併せて読むと、実例的な実施形態の以下の詳細な説明を理解することができ、当該図面では、同様の構造は、同様の参照番号を用いて示される。

【図1】図１は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、例示的なパワーエレクトロニクスアセンブリの斜視図を概略的に示す。

【図2】図２は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、図１のパワーエレクトロニクスアセンブリの分解斜視図を概略的に示す。

【図3】図３は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む図１のパワーエレクトロニクスアセンブリの冷却板の斜視図を概略的に示す。

【図4】図４は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、Ｓセル及びパワーエレクトロニクスデバイスを含む図３のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリの分解斜視図を概略的に示す。

【図5】図５は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、図４のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリの断面斜視図を概略的に示す。

【図6】図６は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、図４のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリの断面端面図を概略的に示す。

【図7】図７は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、図４のＳセルの第１のグラファイト層の例示的な結晶構造及び第２のグラファイト層の例示的な結晶構造を概略的に示す。

【図8】図８は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、図４のＳセルの第１のグラファイト層の別の例示的な結晶構造及び第２のグラファイト層の別の例示的な結晶構造を概略的に示す。

【図9】図９は、本明細書で記載及び説明される１つ以上の実施形態に係る、複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む別の冷却板の斜視図を概略的に示す。

【図10】図１０は、本明細書で示され記載される１つ以上の実施形態に係る、図１のパワーエレクトロニクスアセンブリの断面図を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本明細書で記載される実施形態は概して、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ、及び冷却板に接続された回路基板アセンブリを有するパワーエレクトロニクスアセンブリを対象とし、冷却板は、冷却板内に形成されたそれぞれの凹部内に設けられたパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む。パワーエレクトロニクスデバイスは、各パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリのＳセル内に形成された凹部内に組み込まれ得る。

【0011】

本開示のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、本明細書でＳセルと呼ばれる実装基板に取り付けられたパワーエレクトロニクスデバイスを含む。以下でより詳細に記載されるように、Ｓセルは、向上した熱拡散能力を提供するペアのグラファイト層を含む。更に、本開示の実施形態は、パワーエレクトロニクスデバイスを冷却板から電気的に絶縁する１つ以上の電気絶縁層を含む。電気絶縁がＳセル自体によって提供されるため、例えば、Ｓセルの電気絶縁層により、プリント回路基板と冷却板との間の電気絶縁層を除去することが可能になる。

【0012】

以下でより詳細に記載されるように、本開示のＳセルは、冷却板に向かう熱流束フローを促すグラファイト層により、向上した熱特性を提供する。本明細書で記載されるＳセルは、コンパクトなパッケージ内に積層金属と、グラファイトと、１つ以上の電気絶縁層と、を含む。グラファイト層は各々、グラファイト層の３つの軸線にわたる熱拡散能力を均衡させるように９０度の結晶オフセットを有する。Ｓセルを接合する本明細書で記載される接合材料は特に、Ｓセルを電気的に絶縁する能力も維持しつつ、他の接合技術に対して熱伝導性を増大させるように構成されている。本明細書で記載されるデバイス、システム、及び装置は、Ｓセルから冷却板への熱流束を改善し、それによって、回路基板アセンブリについての熱拡散性能及び冷却性能を増大させる。

【0013】

本明細書で記載される冷却板、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ、回路基板アセンブリ、パワーエレクトロニクスアセンブリ、及び同種のものは、電化車両、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、任意の電気モータ、発電機、産業用ツール、家庭電化製品、及び同種のものにおいて使用され得るが、これらに限定されない。本明細書で記載される様々なアセンブリは、電気モータ及び／又はバッテリに電気的に接続されてもよく、直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換するように動作可能であるインバータ回路として構成されてもよい。

【0014】

本明細書で使用される「パワーエレクトロニクスデバイス」は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、逆もまた同様に変換するために使用される任意の電気構成要素を意味する。実施形態は、ＡＣ‐ＡＣコンバータ及びＤＣ‐ＤＣコンバータ用途においても採用され得る。パワーエレクトロニクスデバイスの非限定的な例には、パワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、及びパワートランジスタが含まれる。

【0015】

本明細書で使用される「完全に組み込まれる」というフレーズは、構成要素の各面が基板によって囲まれていることを意味する。例えば、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリが回路基板によって完全に組み込まれる場合、それは、回路基板の材料が回路基板の各面を覆うことを意味する。構成要素の１つ以上の面が露出している場合、構成要素は、「部分的に組み込まれている」。

【0016】

本明細書で使用される「Ｓセル」は、パワーエレクトロニクスデバイスに取り付けられるように動作可能な実装基板であって、金属層、グラファイト層、及び電気絶縁層のうちの１つ以上を含む。

【0017】

パワーエレクトロニクスアセンブリ、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ、及び冷却板の様々な実施形態が以下で詳細に記載される。同じ部分又は同様の部分を指すために、可能な限り、図面全体を通じて同じ参照番号を使用する。

【0018】

ここで、図１及び図２を参照すると、例示的なパワーエレクトロニクスアセンブリ１００が概して、組立図及び分解図でそれぞれ示されている。図１及び図２に示されるパワーエレクトロニクスアセンブリ１００は、冷却板１０２と回路基板アセンブリ１０６とを含む。冷却板１０２は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０（図３参照）から熱流束を除去することができる任意のデバイスであってもよく、パワーエレクトロニクスデバイス１４０は、冷却板１０２の穴１０３に接続されるか若しくは組み込まれ、及び／又は回路基板アセンブリ１０６の基板材料に接続されるか若しくは組み込まれている。冷却板１０２についての非限定的な例には、ヒートシンク、単相液冷、２相液冷、及びベーパチャンバが含まれる。

【0019】

図１及び図２は、単相液冷デバイスとして構成された冷却板１０２を示す。冷却板１０２は、冷却板１０２内で流体チャンバ１１５（図９）に流体接続された流体入口１３２及び流体出口１３４を含む。図１及び図２は、冷却板１０２の同じ側にある流体入口１３２及び流体出口１３４を示しているが、本開示は、このような実施形態に限定されない。すなわち、他の実施形態では、流体入口１３２及び流体出口１３４は、例えば、隣接面などの冷却板１０２の他の面に位置し得る。

【0020】

依然、図１及び図２を参照して、回路基板アセンブリ１０６は、冷却板１０２の第１の面１０７に接続されている（例えば、ラミネーション又は任意の他の好適な手段などによって取り付けられている）。図１及び図２は、冷却板１０２の貫通孔１０５及び回路基板アセンブリ１０６の貫通孔１０９を通って延びる締結具１０１（例えば、ボルト及びナット）によって冷却板１０２の第１の面１０７に取り付けられるものとして、回路基板アセンブリ１０６を示す。他の実施形態では、貫通孔１０５、１０９及び締結具１０１は、以下に記載されるように省略され得ることを理解されたい。

【0021】

実施形態では、回路基板アセンブリ１０６は、３Ｄプリント層であり得る。このような実施形態では、回路基板アセンブリ１０６の３Ｄプリント層は、全体的な熱抵抗を低減することを理解されたい。実施形態では、回路基板アセンブリ１０６は、冷却板１０２にラミネートされ得る。しかしながら、回路基板アセンブリ１０６を冷却板１０２に取り付ける他の付加製造プロセスも想定され、本開示の範囲内に含まれる。加えて、本明細書でより詳細に記載されるように、ビア接続又はビアは、回路基板アセンブリ１０６及びパワーエレクトロニクスデバイス１４０（図４）の様々な構成要素間にレーザ穿孔を使用して作られ得る。すなわち、ビアは、回路基板アセンブリ１０６を貫いて各導電層及びパワーエレクトロニクスデバイス１４０の上面まで穿孔される。本明細書でより詳細に記載されるように、ビアは次いで、例えば、図１０に示されるようなパワーエレクトロニクスデバイス１４０、電気導電層１１０、及び同種のものなどの構成要素間の電気接続を確立するように電気めっき法により銅で充填される。

【0022】

ここで、図３を参照すると、冷却板１０２は、本明細書でより詳細に記載されるように、冷却板１０２の第１の面１０７内に形成されたそれぞれの穴１０３内に位置する複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６を含むように示されている。非限定的な例として、冷却板１０２は、電気自動車のインバータ回路用の６つのパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６を受け入れるために、冷却板１０２の第１の面１０７内に形成されて３つずつ２行に配置された６つの穴１０３を含み得る。しかしながら、用途に応じて任意の数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６が利用され得ることを理解されたい。同様に、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６は、図３に示されたものよりも多い数又は少ない数の行などの任意の好適な配置で冷却板１０２の第１の面１０７に位置し得る。

【0023】

各パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６は、冷却板１０２の穴１０３内に受け入れられるＳセル１２１と、Ｓセル１２１に接続された（例えば、取り付けられた）パワーエレクトロニクスデバイス１４０と、を含む。上述のように、Ｓセル１２１は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０が接合される基板である。Ｓセル１２１は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０の底面における電極への接続を行うための電気導電面領域を提供する。本明細書でより詳細に記載されるように、Ｓセル１２１は、熱拡散機能及び電気絶縁を更に提供する。しかしながら、いくつかの実施形態では、電気絶縁層１８０は、追加の電気絶縁を提供するようにＳセル１２１と冷却板１０２の穴１０３の底壁１０４との間に介在し得る。

【0024】

電気絶縁層１８０は、回路基板アセンブリ１０６と冷却板１０２との間の熱抵抗を低下させるようにＳセル１２１と冷却板１０２の底壁１０４との間で冷却板１０２の各穴１０３内に堆積されて図３に示されている。電気絶縁層１８０は概して、電気絶縁を提供する任意の層、例えば、セラミック又は同種のものであり得る。実施形態では、電気絶縁層１８０は、絶縁金属基板（ＩＭＳ）誘電フィルムを含む。ＩＭＳ誘電フィルムは、固体フィルム層であり得る。他の実施形態では、電気絶縁層１８０は、サーマルグリス層であり得る。電気絶縁層１８０は、専用の貫通孔を有していなくてもよいことに留意されたい。

【0025】

ここで、図４及び図５を参照すると、それぞれ、例示的なＳセル１２１の分解上方斜視図及び組立断面図が示されている。Ｓセル１２１は、複数の積層された層を含む。特に、図４及び図５に示されるＳセル１２１は、金属層１２２と、金属層１２２内に組み込まれた第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂと、を含む。しかしながら、本明細書で述べられるように、追加のグラファイト層が設けられ得ることを理解されたい。第１のグラファイト層１２４Ａは、第２のグラファイト層１２４Ｂの上に位置している。しかしながら、第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂは交換可能であることを理解されたい。金属層１２２は、内面１２５と、内面１２５と反対側の外面１２８と、を含む。実施形態では、金属層１２２は、第１の金属層と第２の金属層とを含み、グラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂは、第１の金属層と第２の金属層との間に位置している。実施形態では、金属層１２２は、ペアの金属層を含むのではなく一体のモノリシックな構造であり得る。金属層１２２は、金属層１２２の外面１２８内に形成された凹部１２７を含む。凹部１２７は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０を受け入れるような寸法である。以下でより詳細に記載されるように、金属層１２２は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０の底面における電極が（例えば、直接接続及び／又は電気接続ビアを介して）接続される電気導電面を提供する。図４及び図５に示されるＳセル１２１の様々な層は単なる例示であることを理解されたい。

【0026】

図４及び図５に示される実施形態におけるＳセル１２１は、図４及び図５に示される座標軸線のｚ軸線に沿って対称なＳセル１２１を提供するように金属層１２２内に組み込まれたグラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂを含むことに留意されたい。Ｓセル１２１の対称性は、高温接合プロセス中のＳセル１２１に対する力を均衡させる。金属層１２２及びグラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂは、異なる熱膨張係数を有するため、接合プロセス中の熱誘起応力を均衡させるために対称的な基板スタックを有することが望ましい場合がある。

【0027】

金属層１２２は、任意の好適な金属又は合金で作られ得る。非限定的な例として、銅及びアルミニウムが金属層１２２として使用され得る。本明細書で記載されるように、Ｓセル１２１の金属層１２２は、金属層１２２の外面１２８内に形成された凹部１２７を有する。凹部１２７は、例えば、化学エッチング若しくは機械加工、又は任意の他の好適なプロセスによって形成され得る。凹部１２７は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０を受け入れるようなサイズ及び形状を有する。外面１２８は概して、（金属層１２２の第１の主要な表面又は面として構成された）内面１２５と反対側の金属層１２２の第２の主要な表面又は面であり得る。すなわち、金属層１２２は、平面層であり得、それによって、内面１２５は、グラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂに面し、反対側の外面１２８は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０及び回路基板アセンブリ１０６（図１０）に面する。

【0028】

図４及び図５に示されるように、Ｓセル１２１は、Ｓセル１２１の長さ寸法がＳセル１２１の幅寸法よりも大きくなるような矩形形状となるように設計されている。しかしながら、本明細書で述べられるように、Ｓセル１２１の形状は、矩形に限定されない。例えば、Ｓセル１２１は、本開示の範囲から逸脱することなく、例えば、正方形であり得る。

【0029】

ここで、図６を参照すると、Ｓセル１２１の断面図が示されており、ここで、第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂは、金属層１２２内で覆われて示されている。更に、Ｓセル１２１は、金属層１２２と第１のグラファイト層１２４Ａとの間に設けられた第１のろう付け層１９０と、第１のろう付け層１９０と反対側で金属層１２２と第２のグラファイト層１２４Ｂとの間に設けられた第２のろう付け層１９２と、を含む。第１のろう付け層１９０及び第２のろう付け層１９２は、組み立てられたときに第１のろう付け層１９０がパワーエレクトロニクスデバイス１４０（図５）に面し、第２のろう付け層１９２が冷却板１０２（図３）に面するように、金属層１２２の内面１２５に隣接してＳセル１２１の対向する平面上に設けられることを理解されたい。Ｓセル１２１は、第１のグラファイト層１２４Ａと第２のグラファイト層１２４Ｂとの間に設けられたグラファイト接合層１９４を更に含む。第１のろう付け層１９０、第２のろう付け層１９２、及びグラファイト接合層１９４は各々、横方向（すなわち、図面に示される座標軸線のｙ軸線に平行な方向）及び横方向に対して垂直な長手方向（すなわち、図面に示される座標軸線のｘ軸線に平行な方向）にＳセル１２１の金属層１２２の対向する側の間で延びていることを理解されたい。

【0030】

実施形態では、金属層１２２は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下で内面１２５と外面１２８との間で延びる第１の厚さＴ１を有する。実施形態では、金属層１２２は、０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下で内面１２５と外面１２８との間で延びる第１の厚さＴ１を有する。実施形態では、金属層１２２の外面１２８内に形成された凹部１２７（図４）以外の金属層１２２の第１の厚さＴ１は、Ｓセル１２１の全周にわたって一定である。実施形態では、第１のグラファイト層１２４Ａは、０．２５ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下の第２の厚さＴ２を有する。実施形態では、第１のグラファイト層１２４Ａは、０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の第２の厚さＴ２を有する。実施形態では、第２のグラファイト層１２４Ｂは、０．２５ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下の第３の厚さＴ３を有する。実施形態では、第２のグラファイト層１２４Ｂは、０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の第３の厚さＴ３を有する。したがって、第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂを超えて延びるＳセル１２１の合計の厚さは、０．７ｍｍ以上３ｍｍ以下（すなわち、金属層１２２の第１の厚さＴ１の２倍、第１のグラファイト層１２４Ａの第２の厚さＴ２、及び第２のグラファイト層１２４Ｂの第３の厚さＴ３の和）である。

【0031】

図６の実施形態に示されるグラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂは、Ｓセル１２１にわたる熱拡散及び冷却板１０２（例えば、図１０参照）に向かう熱拡散の両方を促進するために設けられている。グラファイトの結晶構造は、グラファイトに高い熱伝導性を提供し、冷却板１０２に向かう熱流束の伝導を有用にすることを理解されたい。しかしながら、グラファイトは、等温プロファイルを有していない。むしろ、グラファイトは、非等温プロファイルを有し、２つの軸線に沿って高い伝導性を有し、第３の軸線において低い熱伝導性を有する。グラファイトの非等温プロファイルを考慮するために、各グラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂは、グラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂの３つの軸線の各々に沿って、均衡した熱伝導性を提供するように、他のグラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂの２つの軸線とは異なる２つの軸線にわたって高い熱伝導性を有する。

【0032】

非限定的な例として、図７に示されるように、第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂの結晶構造が示されている。具体的には、第１のグラファイト層１２４Ａは、ｘ軸線（面内方向）及びｚ軸線（面内方向）に沿って高い熱伝導性を有し、ｙ軸線（面外方向）において低い熱伝導性を有する。本明細書に記載されるように、低い熱伝導性に対する言及は、高い熱伝導性と比較して低減された熱拡散能力を提供することを理解されたい。したがって、熱は、高い熱伝導性を有する別の軸線に沿って拡散する熱と比較して、低い熱伝導性を有する軸線に沿って、限定された距離で拡散する。第１のグラファイト層１２４Ａのｙ軸線が第２のグラファイト層１２４Ｂのｘ軸線に対応するように、第１のグラファイト層１２４Ａに対してｚ軸線周りに第２のグラファイト層１２４Ｂを９０度回転させている。したがって、第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂの組み合わされた熱拡散能力は、単一のグラファイト層のみがＳセル内で利用される場合の互いに不釣合いなものではなく、ｘ軸線及びｙ軸線に沿って実質的に等しい（すなわち、５％、１０％、２０％、又は３０％の範囲内である）。これにより、単一のグラファイト層のみが利用され並びに／又は第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂの結晶構造が同じ方向を向く（すなわち、グラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂの低い熱伝導性が同じ軸線に沿って及んでいる）実施形態と比較して、パワーエレクトロニクスデバイス１４０について、高い熱流束及びはるかに低い温度プロファイルが達成される。

【0033】

本明細書で述べられるように、第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂは交換可能であることを理解されたい。したがって、第１のグラファイト層１２４Ａ又は第２のグラファイト層１２４Ｂのいずれかを他方に対して回転させ得る。別の非限定的な例として、図８に示されるように、第２のグラファイト層１２４Ｂの結晶構造は、ｘ軸線（面内方向）及びｚ軸線（面内方向）に沿って高い熱伝導性を有し、ｙ軸線（面外方向）において低い熱伝導性を有する。同様に、第２のグラファイト層１２４Ｂのｙ軸線が第１のグラファイト層１２４Ａのｘ軸線に対応するように、第１のグラファイト層１２４Ａに対してｚ軸線周りに第２のグラファイト層１２４Ｂを９０度回転させている。したがって、第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂの組み合わされた熱拡散能力は、ｘ軸線及びｙ軸線に沿って等しいままである。

【0034】

このことは、Ｓセル１２１が、Ｓセル１２１にわたって不釣合いな熱拡散を提供することなく、矩形とは対照的な正方形となることを可能にする追加の利点を、グラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂを互いに対して回転させることによって提供する。第１のグラファイト層１２４Ａ及び第２のグラファイト層１２４Ｂの結晶構造が同じ方向を向く実施形態では、Ｓセル１２１は通常、Ｓセル１２１の幅ではなくＳセル１２１の長さに沿った熱拡散又は逆の場合の熱拡散を改善するように矩形形状である。

【0035】

したがって、図９に示されるように、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００’の実施形態は、冷却板１０２と複数のＳセル１２１とを含み、各々が、図３及び図４に示されるような矩形外形ではなく正方形外形を有するように示されている。図９に示されるように、Ｓセル１２１にわたる熱拡散は、Ｓセル１２１の幅及びＳセル１２１の長さの両方にわたって等しくなるように示されている。全く対照的に、グラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂのうちの一方を他方に対して回転させず、又は単一のグラファイト層のみがＳセル１２１内で利用される実施形態では、熱拡散は、対応するＳセル１２１の長さ及び幅のうちの対応するものに沿って著しく大きくなる。

【0036】

本明細書で示されていないが、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６は、ペアのグラファイト層１２４Ａ、１２４Ｂよりも多くのグラファイト層を含み得ることを理解されたい。例えば、パワーデバイスアセンブリ１４６は、任意の好適な配置で位置する３つ、４つ、又は４つを超える数のグラファイト層、例えば、１つ以上の下方のグラファイト層と、下方のグラファイト層上に設けられ、下方のグラファイト層の結晶構造が上方のグラファイト層のものと異なるように１つ以上の下方のグラファイト層に対して９０度回転させた１つ以上の上方のグラファイト層と、を含み得る。別の非限定的な例として、第１の向きに配置された結晶構造を有するグラファイト層が、第１の向きとは異なる第２の向き、すなわち、９０度のオフセットで配置された結晶構造を有するグラファイト層間に介在するように、グラファイト層は交互になり得る。

【0037】

図４を再び参照すると、Ｓセル１２１及びパワーエレクトロニクスデバイス１４０を含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６の分解図が示されている。図４は、Ｓセル１２１の凹部１２７に対するパワーエレクトロニクスデバイス１４０及び接合層１４３を示す。例えば、接合層１４３は、はんだ層であり得る。別の例として、接合層１４３は、過渡液相接合層１４３であり得る。パワーエレクトロニクスデバイス１４０は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０の上面に、複数の大きい電極１４１と複数の小さい電極１４２とを含む。大きい電極１４１は、電源電極であり得る一方、小さい電極１４２は、信号電極であり得る。図４では見ることができないが、パワーエレクトロニクスデバイス１４０は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０の底面に１つ以上の電極を更に含むことに留意されたい。パワーエレクトロニクスデバイス１４０の底面における１つ以上の電極は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０を凹部１２７内に配置することによって金属層１２２に電気的に接続される。したがって、パワーエレクトロニクスデバイス１４０の底部電極への電気接続は、金属層１２２によって行われ得る。

【0038】

ここで、図１０を参照すると、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の断面図が示されている。回路基板アセンブリ１０６は、電気絶縁材料で作られた基板１１１を含む。電気絶縁材料は、プリント回路基板の製造において使用される材料、例えば、ＦＲ‐４であり得るが、これに限定されない。回路基板アセンブリ１０６は、組み込まれた電気導電層１１０、複数のビア１１２（電気伝導ビア及びサーマルビアの両方）を更に含む。本明細書で簡潔に述べられるように、ビア１１２は、例えば、パワーエレクトロニクスデバイス１４０、電気導電層１１０、及び同種のものなどの構成要素間の電気接続を確立する。いくつかの実施形態では、回路基板アセンブリ１０６は、回路基板アセンブリ１０６内に完全に又は部分的に組み込まれた複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６を含み得る。しかしながら、図１０に示される実施形態は、本明細書でより詳細に記載されるように、冷却板１０２の穴１０３内に配置されたＳセル１２１内に受け入れられるパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６を示す。

【0039】

貯蔵部（図示せず）から（移動矢印１３５として示される）冷却流体は、流体入口１３２を通って流体チャンバ１１５内に流れて、流体出口１３４を通って流体チャンバ１１５から出ていき、当該冷却流体は、例えば、熱交換器（図示せず）を通って流れ、冷却流体から熱を除去した後、貯蔵部に返される。示されていないが、フィンのアレイは、冷却流体１３５への熱伝達用の追加の面領域を提供するために流体チャンバ１１５に設けられ得る。

【0040】

上記から、パワーエレクトロニクスアセンブリ及びパワーエレクトロニクスアセンブリを製造する方法が本明細書で定められることを理解されたい。具体的には、本明細書で開示されるパワーエレクトロニクスアセンブリは、冷却板を含むパワーエレクトロニクスアセンブリを含む。冷却板は、Ｓセル及びパワーエレクトロニクスデバイスを含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む。Ｓセルは、第１のグラファイト層と、第２のグラファイト層と、第１のグラファイト層及び第２のグラファイト層を覆う金属層と、を含む。凹部は、金属層の外面内に形成されている。パワーエレクトロニクスデバイスは、Ｓセルの外面の凹部内に配置されている。実施形態では、第１のグラファイト層は、第１の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ第２の軸線及び第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きであって、第２のグラファイト層は、第２の軸線に沿って低い熱伝導性を提供し且つ第１の軸線及び第３の軸線に沿って高い熱伝導性を提供するような向きである。したがって、Ｓセルの熱分配は、第１の軸線及び第２の軸線に沿って実質的に等しい。

【0041】

ここで、本開示の実施形態は、Ｓセルを収容した冷却板を含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリに接続された回路基板アセンブリを有するパワーエレクトロニクスアセンブリを対象とすることを理解されたい。パワーエレクトロニクスデバイスは、Ｓセル内及び／又は回路基板アセンブリ内に組み込まれ得る。このようなパワーエレクトロニクスアセンブリは、コンパクトであって、Ｓセルを電気的に絶縁する能力を維持しつつ熱伝導性の増大を提供し、それによって、Ｓセルから冷却板への熱流束を改善し、それによって、従来のパッケージに対する回路基板アセンブリの熱拡散性能及び冷却性能を増大させる。

【0042】

「実質的」及び「約」という用語は、任意の定量的な比較、値、測定、又は他の表現に起因し得る、内在する不確実性の程度を表すために本明細書で利用され得ることに留意されたい。これらの用語はまた、定量的な表現が、問題となる主題の基本的な機能の変化をもたらすことなく、述べられた基準から変わり得る程度を表すために本明細書で利用される。

【0043】

特定の実施形態が本明細書で説明及び記載されているが、様々な他の変更及び修正が、請求された主題の範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解されたい。更に、請求された主題の様々な態様が本明細書で記載されているが、このような態様は、組み合わされて利用される必要はない。したがって、添付の特許請求の範囲は、請求された主題の範囲内にある全てのこのような変更及び修正を包含することが意図される。

【0044】

請求された主題の範囲から逸脱することなく、本明細書で記載される実施形態に対して様々な修正及び変形がなされ得ることが当業者に明らかであろう。したがって、本明細書は、このような修正及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内で生じるならば、本明細書で記載される様々な実施形態の修正及び変形を包含することが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【外国語明細書】