特許 7320641 少なくとも１つの半導体モジュールのための冷却用アッセンブリ、パワーモジュール、およびパワーモジュールの製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-07-26

(45)【発行日】2023-08-03

(54)【発明の名称】少なくとも１つの半導体モジュールのための冷却用アッセンブリ、パワーモジュール、およびパワーモジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20230727BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20230727BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20230727BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20230727BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L25/04 C

H02M7/48 Z

【請求項の数】 15

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022019708

(22)【出願日】2022-02-10

(65)【公開番号】P2022145522

(43)【公開日】2022-10-04

【審査請求日】2023-05-31

(31)【優先権主張番号】21163707

(32)【優先日】2021-03-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】519431812

【氏名又は名称】ヒタチ・エナジー・スウィツァーランド・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＨＩＴＡＣＨＩ ＥＮＥＲＧＹ ＳＷＩＴＺＥＲＬＡＮＤ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ニコ・パブリチェク

(72)【発明者】

【氏名】リュイス・サントラリア

(72)【発明者】

【氏名】ドミニク・トゥルッセル

(72)【発明者】

【氏名】ヘルダー・マタ

【審査官】豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】欧州特許出願公開第１８４３３９２（ＥＰ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第２５２４９４５（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／２３２１１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１９００８６１１（ＤＥ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０８４１８４３（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ２３／２９

Ｈ０１Ｌ２３／３４ －２３／３６

Ｈ０１Ｌ２３／３７３－２３／４２７

Ｈ０１Ｌ２３／４４

Ｈ０１Ｌ２３／４６７－２３／４７３

Ｈ０１Ｌ２５／００ －２５／０７

Ｈ０１Ｌ２５／１０ －２５／１１

Ｈ０１Ｌ２５／１６ －２５／１８

Ｈ０２Ｍ ７／４２ － ７／９８

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一体化された冷却構造体を備えるベースプレート（１０８）を有する少なくとも１つの半導体モジュール（１０４）のための冷却用アッセンブリ（１０５）であって、前記冷却用アッセンブリ（１０５）は、
－ 第１の冷却器部（１２１）であって、少なくとも１つの開口（１１８）、および前記第１の冷却器部（１２１）の第１の側面上に配置される少なくとも１つの付着点を有し、前記少なくとも１つの開口（１１８）は、対応する半導体モジュール（１０４）の一体化された冷却構造体を受け入れるように構成され、前記半導体モジュール（１０４）のベースプレート（１０８）は、前記第１の冷却器部（１２１）の第１の側面上の前記少なくとも１つの付着点へ付着される、第１の冷却器部（１２１）と、
－ 前記第１の冷却器部（１２１）の反対側の第２の側面上に配置される第２の冷却器部（１２２）と
を備え、
－ 前記第１の冷却器部（１２１）および前記第２の冷却器部（１２２）は、繊維強化ポリマー材料から製造され、成形または積層によって形成され、かつ前記第１の冷却器部（１２１）の前記第２の側面と前記第２の冷却器部（１２２）との間に冷却剤（１１６）用の空洞を形成するように水密ジョイント（１２３）によって接合される、冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項2】

前記第１の冷却器部（１２１）と前記第２の冷却器部（１２２）とのうちの少なくとも一方は、射出成形されたプラスチック製部品である、請求項１に記載の冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項3】

前記第１の冷却器部（１２１）と前記第２の冷却器部（１２２）とのうちの少なくとも一方は、ガラス繊維によって強化された、ポリフェニレンスルフィドＰＰＳ、ポリカーボネートＰＣおよびアクリロニトリル・ブタジエン・スチレンＡＢＳのうちの少なくとも１つを含む、請求項１または請求項２に記載の冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項4】

前記第１の冷却器部（１２１）と前記第２の冷却器部（１２２）とのうちの少なくとも一方は、薄層状の炭素複合材部品である、請求項１に記載の冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項5】

前記第１の冷却器部（１２１）と前記第２の冷却器部（１２２）とのうちの少なくとも一方は、予備含浸複合繊維を含む、請求項１または請求項４に記載の冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項6】

前記第１の冷却器部（１２１）および前記第２の冷却器部（１２２）は、プラスチック溶接接合または接着結合接合によって接合される、請求項１～５のいずれか１項に記載の冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項7】

前記少なくとも１つの付着点は、ねじ（１０７）を取り付けるためのねじ付きインレイ（１２４）と接着結合ライン（１２７）を受け入れるように構成される連動構造体とのうちの少なくとも一方を備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項8】

－ 前記第１の冷却器部（１２１）の前記第１の側面と前記ベースプレート（１０８）とのうちの一方に配置される溝（１２０）であって、前記溝（１２０）は、前記少なくとも１つの開口（１１８）および前記一体化された冷却構造体をそれぞれ囲む、溝（１２０）と、
－ 前記第１の冷却器部（１２１）と前記少なくとも１つの付着点により前記冷却用アッセンブリ（１０５）へ付着される前記ベースプレート（１０８）との間にシールを形成するために前記溝（１２０）内に配置されるガスケットと、をさらに備える、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項9】

前記ガスケットは、フォームインプレースガスケット（１１９）または交換可能なガスケットの形態である少なくとも１つのガスケットを備える、請求項８に記載の冷却用アッセンブリ（１０５）。

【請求項10】

パワーモジュール（１０１）であって、
－ 請求項１～９のいずれかに記載の冷却用アッセンブリ（１０５）と、
－ 一体化された冷却構造体を備えるベースプレート（１０８）を有する少なくとも１つの半導体モジュール（１０４）と
を備え、
前記ベースプレート（１０８）は、前記一体化された冷却構造体が前記少なくとも１つの開口（１１８）を介して前記空洞内へ突き出すように、前記少なくとも１つの付着点で前記冷却用アッセンブリ（１０５）の前記第１の冷却器部（１２１）の前記第１の側面へ付着される、パワーモジュール（１０１）。

【請求項11】

前記少なくとも１つの半導体モジュール（１０４）は、ハウジング（１１０）により封入される少なくとも１つのパワー半導体ダイ（１１２）と、前記少なくとも１つのパワー半導体ダイ（１１２）へ電気的に接続されかつ前記ハウジング（１１０）から突き出す複数のリード（１１３）と、を備える、請求項１０に記載のパワーモジュール（１０１）。

【請求項12】

パワーモジュール（１０１）を製造するための方法であって、
－ 第１の冷却器部（１２１）を繊維強化ポリマー材料から形成することを含み、前記第１の冷却器部（１２１）は、少なくとも１つの開口（１１８）と、前記第１の冷却器部（１２１）の第１の側面上に配置される少なくとも１つの付着点と、を有し、前記第１の冷却器部（１２１）を形成することは、前記繊維強化ポリマー材料を用いて前記第１の冷却器部（１２１）を成形することまたは積層することを含み、前記方法はさらに、、
－ 第２の冷却器部（１２２）を繊維強化ポリマー材料から形成することを含み、前記第２の冷却器部（１２２）を形成することは、前記繊維強化ポリマー材料を用いて前記第２の冷却器部（１２２）を成形することまたは積層することを含み、前記方法はさらに、
－ 前記第１の冷却器部（１２１）の反対側の第２の側面と前記第２の冷却器部（１２２）との間に冷却剤（１１６）用の空洞を形成するために、前記第１の冷却器部（１２１）と前記第２の冷却器部（１２２）とを水密ジョイント（１２３）によって接合することと、
－ 一体化された冷却構造体が前記少なくとも１つの開口（１１８）を介して冷却用アッセンブリ（１０５）の空洞内へ突き出すように、前記一体化された冷却構造体を備えるベースプレート（１０８）を有する少なくとも１つの半導体モジュール（１０４）を、前記少なくとも１つの付着点を用いて前記第１の冷却器部（１２１）の前記第１の側面へ付着することと
を含む、方法。

【請求項13】

前記第１の冷却器部（１２１）および前記第２の冷却器部（１２２）を接合することは、プラスチック溶接または接着結合プロセスによって接合することを含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

少なくとも、
－ 前記第１の冷却器部（１２１）を形成することは、少なくとも１つのねじ付き金属インサート（１２４）を前記第１の冷却器部（１２１）に埋め込むことを含み、または、
－ 前記付着することは、前記少なくとも１つの半導体モジュール（１０４）を、前記ねじ付き金属インサート（１２４）にねじ込まれるねじ（１０７）を用いて前記第１の冷却器部（１２１）へクランプすることを含む、請求項１２または１３に記載の方法。

【請求項15】

少なくとも、
－ 前記第１の冷却器部（１２１）を形成することは、前記第１の冷却器部（１２１）の前記第１の側面上に第１の連動構造体を形成することを含み、または、
－ 前記付着することは、前記第１の冷却器部（１２１）と前記少なくとも１つの半導体モジュール（１０４）との間に接着結合を形成するために、前記第１の連動構造体と、前記少なくとも１つの半導体モジュール（１０４）の対応する第２の連動構造体との間に結合ライン（１２７）を置くことを含む、請求項１２または１３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一体化された冷却構造体を備えるベースプレートを有する少なくとも１つの半導体モジュールのための冷却用アッセンブリに関する。本開示は、さらに、このような冷却用アッセンブリと少なくとも１つの半導体モジュールとを備えるパワーモジュール、ならびにパワーモジュールを製造するための方法にも関する。

【背景技術】

【0002】

米国登録特許第９，６１３，８８５号明細書は、複数の離散的モジュールとプラスチック製ハウジングとを含む冷却装置に関する。各モジュールは、成形コンパウンドにより封入される半導体ダイと、半導体ダイへ電気的に接続されかつ成形コンパウンドから突き出す複数のリードと、成形コンパウンドにより少なくとも部分的に覆われていない第１の冷却プレートと、を含む。プラスチック製ハウジングは、マルチダイモジュールを形成すべく各モジュールの周縁を取り囲む。

【0003】

米国特許出願公開第２０１１／０３１６１４３号明細書は、樹脂モールドにより作られる半導体ユニットを含む半導体モジュールに関する。樹脂モールドは、その内部に、樹脂モールド内に埋め込まれる半導体チップを冷却するために冷却剤が通って流れる冷却剤経路を形成している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

製造および組立てが容易であって、軽量であり、かつパワー半導体ダイの効率的な冷却を可能にする、半導体モジュールのための改善された冷却用アッセンブリが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の第１の態様によれば、一体化された冷却構造体を備えるベースプレートを有する少なくとも１つの半導体モジュールのための冷却用アッセンブリが提供される。冷却用アッセンブリは、第１の冷却器部であって、少なくとも１つの開口、および第１の冷却器部の第１の側面上に配置される少なくとも１つの付着点を有し、少なくとも１つの開口は、対応する半導体モジュールの一体化された冷却構造体を受け入れるように構成され、半導体モジュールのベースプレートは、第１の冷却器部の第１の側面上の少なくとも１つの付着点へ付着される、第１の冷却器部と、第１の冷却器部の反対側の第２の側面上に配置される第２の冷却器部と、を備える。第１および第２の冷却器部は、繊維強化ポリマー材料から作られ、かつ第１の冷却器部の第２の側面と第２の冷却器部との間に冷却剤用の空洞を形成するように密封式に接合される。

【0006】

上述の冷却用アッセンブリは、たとえば従来の射出成形プロセスにより、軽量のポリマーベース材料から容易に形成されることが可能である。繊維強化ポリマー材料の使用は、自動車用パワーエレクトロニクスなどの高出力用途で使用される冷却剤と適合する。同時に、一体化された開口および少なくとも１つの付着点は、モジュールの容易な組立てを促進する。たとえば、第１の冷却器部のみ、第２の冷却器部のみ、または第１の冷却器部および第２の冷却器部の双方が、射出成形されたプラスチック製部品である可能性もある。

【0007】

少なくとも１つの実施形態によれば、第１の冷却器部と第２の冷却器部とのうちの少なくとも一方は、ガラス繊維によって強化された、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）およびアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）のうちの少なくとも１つを含む。たとえば、第１の冷却器部のみ、第２の冷却器部のみ、または第１の冷却器部および第２の冷却器部の双方は、耐燃性であってそれぞれ２００℃および１４０℃までの温度に耐えることができる、かつエチレングリコールなどの典型的な冷却剤と適合する、上述の材料のうちの１つまたはそれ以上を備える可能性もある。

【0008】

少なくとも１つの実施形態によれば、第１の冷却器部と第２の冷却器部とのうちの少なくとも一方は、薄層状の炭素複合材である。たとえば、第１の冷却器部のみ、第２の冷却器部のみ、または第１の冷却器部および第２の冷却器部の双方は、予備含浸複合繊維を含む可能性もある。このような材料は、強力かつ軽量であって、脱オートクレーブの複合材製造などの新規処理技術を用いて製造されることが可能である。

【0009】

少なくとも１つの実施形態によれば、第１の冷却器部および第２の冷却器部は、プラスチック溶接接合または接着結合接合によって接合される。あるいは、加熱結合が使用される場合もある。このような接合部は、製造が容易であって、冷却用アッセンブリからの冷却剤の漏れを防止する。同時に、冷却用アッセンブリを異なる２つの冷却器部から製造することは、比較的複雑なハウジング構造の提供を見込んでいる。

【0010】

少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの付着点は、ねじを取り付けるための少なくとも１つのねじ付きインレイを備える。ねじ付きインレイを第１の冷却器部内へ、たとえば金属インサート成形を用いて埋め込むことは、金属材料から作られる従来の冷却用アッセンブリに十分に適合する冷却用アッセンブリの製造を可能にする。

【0011】

少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの付着点は、接着結合ラインを受け入れるように構成される連動構造体を備える。接着結合ラインと組み合わせた連動構造体の使用は、第１の冷却器部と少なくとも１つの半導体モジュールとの間の横方向および垂直方向のミスアラインメントの補償を可能にする。同時に、冷却用アッセンブリの第１の冷却器部と、これに付着される半導体モジュールとの間の密閉式接続が形成可能であって、これらの２つの部分間における別個のガスケットの必要性が排除される。

【0012】

少なくとも１つの実施形態によれば、冷却用アッセンブリは、さらに、第１の冷却器部の第１の側面とベースプレートとのうちの一方に配置される溝であって、該溝は、少なくとも１つの開口および一体化された冷却構造体をそれぞれ囲む、溝と、第１の冷却器部と少なくとも１つの付着点により冷却用アッセンブリへ付着されるベースプレートとの間にシールを形成するために溝内に配置されるガスケットと、を備える。これは、たとえば従来の半導体モジュールを本開示の冷却用アッセンブリへ付着する場合に、従来のＯリングガスケットまたは新規のフォームインプレース（ＦＩＰ）ガスケットの使用を可能にする。

【0013】

本開示の第２の態様によれば、パワーモジュールは、第１の態様による冷却用アッセンブリと、一体化された冷却構造体を備えるベースプレートを有する少なくとも１つの半導体モジュールとを備え、ベースプレートは、一体化された冷却構造体が少なくとも１つの開口を介して空洞内へ突き出すように、少なくとも１つの付着点で冷却用アッセンブリへ付着される。このようなパワーモジュールは、軽量かつ製造が容易である。

【0014】

第３の態様によれば、パワーモジュールを製造するための方法が開示される。本方法は、
－ 第１の冷却器部を繊維強化ポリマー材料から形成するステップであって、第１の冷却器部は、少なくとも１つの開口と、第１の冷却器部の第１の側面上に配置される少なくとも１つの付着点と、を有する、形成するステップと、
－ 第２の冷却器部を繊維強化ポリマー材料から形成するステップと、
－ 第１の冷却器部の反対側の第２の側面と第２の冷却器部との間に冷却剤用の空洞を形成するために、第１の冷却器部と第２の冷却器部とをプラスチック溶接または接着結合プロセスによって接合するステップと、
－ 一体化された冷却構造体が少なくとも１つの開口を介して冷却用アッセンブリの空洞内へ突き出すように、一体化された冷却構造体を備えるベースプレートを有する少なくとも１つの半導体モジュールを、少なくとも１つの付着点を用いて第１の冷却器部の第１の側面へ付着するステップと、を含む。

【0015】

上述のステップは、成形プロセスを用いる軽量なパワーモジュールの製造を可能にする。

【0016】

先に詳述したように、本開示は、幾つかの態様およびその実施形態を含む。態様およびその実施形態のうちの１つに関連して記載される特徴は、悉く、本明細書において、その個々の特徴が特定の態様の文脈において明示的に言及されていない場合であっても、他の態様にも関連して開示される。さらに、第１の特徴Ａと第２の特徴Ｂとのうちの少なくとも一方を含むものとして複数の実施形態が開示される場合、第１の実施形態は、第１の特徴Ａのみを含んでもよく、別個の第２の実施形態は、第２の特徴Ｂのみを含んでもよく、かつ別個の第３の実施形態は、第１の特徴Ａと、第２の特徴Ｂとを含んでもよいことが開示される。

【0017】

添付の図面は、さらなる理解を提供するために包含されている。諸図において、構造および／または機能が同じであるエレメントは、同じ参照符号で参照され得る。図示されている実施形態が、例示的に表現されたものであって、必ずしも一定の縮尺で描かれたものでないことは、理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】従来のパワーモジュールの第１の断面を示す略図である。

【図2】図１のパワーモジュールの第２の断面を示す略図である。

【図3】本開示の一実施形態によるパワーモジュールの第１の断面を示す略図である。

【図4】図３のパワーモジュールの第２の断面を示す略図である。

【図5】本開示の別の実施形態によるパワーモジュールの断面を示す略図である。

【図6】パワーモジュールを製造するための方法を示す略図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明は、様々な変更および代替形態を受け入れるものであるが、諸図はその明細を例として示したものであり、以後、これらについて詳述する。しかしながら、説明する特定の実施形態に本発明を限定する意図のないことは、理解されるべきである。反対に、その意図は、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲に含まれる全ての変更、同等物および代替形態を包含することにある。

【0020】

本開示の理解を助けるために、まず、図１および図２を参照して、アルミニウム合金冷却器アッセンブリを有する従来のパワーモジュール１について説明する。

【0021】

図１は、パワーモジュール１の第１の断面を略示していて、冷却剤は、図１に示す平面に流入し、または該平面から流れ出る。図２は、同じパワーモジュール１の第２の垂直断面を示し、冷却剤は、図２の左側に示されている第１のポート２から右側に示される第２のポート３へ流れる。

【0022】

このパワーモジュール１は、冷却用アッセンブリ５へ付着される２つの半導体モジュール４を備える。図２から分かるように、半導体モジュール４は、各半導体モジュール４のベースプレート８を冷却用アッセンブリ５の上面９に締め付けるクランプ６および対応するねじ７によって、冷却用アッセンブリ５へ付着される。

【0023】

ベースプレート８は、金属材料から製造され、成形体１０に埋め込まれる。成形体１０は、基板１１も埋め込んでいて、その上に、パワーモジュール１のパワーコンポーネントを形成する実際の半導体ダイ１２が形成される。基板１１の裏側には、幾つかの導電リード１３が付着される。リード１３は、成形体１０の外部の終端１４まで延びる。

【0024】

冷却用アッセンブリ５は、エチレングリコール－水混合物などの冷却剤１６を第１のポート２から第２のポート３へ、またはその逆で案内するために使用される中空のアルミニウム合金本体部１５から作られる。第１のポート２から第２のポート３へ向かう途中で、液体冷却剤１６は、ピンフィン１７のアレイを通過する。ピンフィン１７は、ベースプレート８から延びて、アルミニウム合金本体部１５内の対応する開口１８を介して冷却剤１６の流れの中へ突き出し、よって、冷却剤１６に曝露されるベースプレート８の表面積が著しく増える。動作において、半導体ダイ１２により放散される熱は、ベースプレート８およびピンフィン１７のアレイを介して冷却剤１６へと伝導され、よって、冷却装置の熱伝達係数が大幅に高められる。これにより、一体化された冷却構造体を持たない半導体パワーモジュールに比べて、半導体ダイ１２から離れる熱流が増える。

【0025】

ある自動車用途において、冷却用アッセンブリ５の第１および第２のポート２および３は、車両の汎用冷却システムへ接続されることが可能である。半導体モジュール４と冷却用アッセンブリ５との間の液密シールを保持するために、図示の冷却装置では、冷却用アッセンブリ５の開口１８を取り囲む個々の溝２０内にＯリングガスケット１９が配置されている。

【0026】

上述のパワーモジュール１および冷却用アッセンブリ５は、異なる用途シナリオにおいて確実に機能する。しかしながら、アルミニウム合金などの金属材料から冷却用アッセンブリ５を形成すると、パワーモジュール１の全体重量が増す。さらに、このような多重部品で部分的に金属製であるパワーモジュール１を組み立てることは、結果として製造コストを比較的高くし、かつ部品点数を多くする。したがって、このようなパワーモジュールの重量およびコンポーネント数をさらに減じる必要がある。

【0027】

図３および図４は、本開示の第１の実施形態によるパワーモジュール１０１の断面を示す略図である。図３および図４に示す断面は、各々、図１および図２に示すパワーモジュール１の断面に対応する。図３および図４に示す実施形態の説明に当たっては、説明を容易にするために、対応する参照符号を用いる。

【0028】

記載の本開示によるパワーモジュール１０１は、２つの半導体モジュール１０４と、共通の冷却用アッセンブリ１０５とを備える。当然ながら、さらなる半導体モジュール１０４を、または単一の半導体モジュール１０４のみを備えるパワーモジュールも可能である。パワーモジュール１０１は、たとえば、液冷式インバータの一部であってもよい。

【0029】

半導体モジュール１０４は、先に詳述したように、冷却用アッセンブリ１０５の上面１０９へ、クランプ１０６およびねじ１０７によって付着される。別の実施形態において、各半導体モジュール１０４は、冷却用アッセンブリ１０５の上面１０９へ、ねじ１０７（不図示）だけによって付着される。たとえば、ねじ１０７は、各半導体モジュール１０４の対応する孔またはスリットを貫通されてもよい。あるいは、別個のクランプ部品の必要性をなくすために、十分な大きさのヘッドを有するねじ１０７の使用が可能である。各半導体モジュール１０４は、射出成形ハウジングおよび／またはゲルなどの絶縁材料で充填されるハウジングなどの、たとえば成形体または他のタイプのプラスチックハウジングであるハウジング１１０を備える。ハウジング１１０内へは、１つまたは幾つかの半導体ダイ１１２を担持する基板１１１が埋め込まれる。たとえば、半導体ダイ１１２は、インバータの電力スイッチング段のＩＧＢＴ、ダイオードまたはＭＯＳＦＥＴであってもよい。半導体ダイ１１２および／または基板１１１は、リード１１３によって終端１１４から接触されることが可能である。ハウジング１１０は、半導体ダイ１１２と熱接続する金属製ベースプレート１０８をも部分的に封入する。金属製ベースプレート１０８は、ベースプレート１０８から半導体ダイ１１２とは反対側へ延びる幾つかのピンフィン１１７の形態である、一体型の冷却構造体を有する。

【0030】

図１および図２に示す冷却用アッセンブリ５とは対照的に、図３および図４に示す冷却用アッセンブリ１０５は、繊維強化ポリマー材料から製造される。たとえば、ガラス繊維強化ポリマーまたは炭素繊維強化ポリマーが使用されてもよい。冷却用アッセンブリ１０５を形成するに当たっては、２つの別個の冷却器部である第１の冷却器部１２１および第２の冷却器部１２２が水密ジョイント１２３によって接合される。記載の実施形態において、第１の冷却器部１２１および第２の冷却器部１２２は、成形によって形成され、かつ冷却剤１１６が通って第１のポート１０２から第２のポート１０３へ、またはその逆へ流れることができる空洞を含む。第１の冷却器部１２１および第２の冷却器部１２２は、併せてプラスチック製の本体部１１５を形成する。

【0031】

ガラス繊維強化ポリマーは、標準的な射出成形プロセスによって製造されることが可能である。繊維は、典型的には短く、特定の方向に配向されない。材料としては、たとえばＳｏｌｖａｙ ＲｙｔｏｎまたはＣｏｖｅｓｔｒｏ Ｂａｙｂｌｅｎｄといった異なる多くのものが市販されている。このような冷却用アッセンブリ１０５および対応するパワーモジュール１０１は、幾つかの効果的な特性を有する。たとえば、強化ポリマー材料の使用は、冷却用アッセンブリ１０５の比較的低い重量およびコストをもたらす。同時に、多くの熱可塑性ポリマー材料、たとえばＰＰＳを含むＳｏｌｖａｙ ＲｙｔｏｎまたはＰＣおよびＡＢＳの配合物を含むＣｏｖｅｓｔｒｏ Ｂａｙｂｌｅｎｄ、は、たとえば自動車パワーモジュールの分野で必要とされる、ＵＬ９４ Ｖ－０の難燃性要件を満たし、かつ耐熱性は、各々２００℃および１４０℃までである。さらに、Ｒｙｔｏｎは、特に、様々な水系冷却器の冷却システムに使用される不凍成分であるエチレングリコールとの適合性があるとされている。さらに、ポリマー射出成形技術は、従来の金属機械加工またはダイカスト技術よりフレキシブルであり、よって、プラスチック製本体部１１５のより複雑な設計の製造が見込まれる。

【0032】

あるいは、射出成形プラスチック部品を用いる代わりに、第１の冷却器部１２１および／または第２の冷却器部１２２を予備含浸複合繊維、たとえば炭素繊維、から形成することも可能である。炭素繊維強化ポリマーは、典型的には、製造がより高価であって、高い強度重量比が必須である航空宇宙またはスポーツ機器から知られている。その繊維は、長く、織られていて、かつ／または特定の方向に配向されている。これらの繊維は、たとえばポリアクリロニトリルまたはレーヨンのような合成ポリマーから製造される。所定の用途の場合、エポキシが繊維に予備含浸されているシートは、「プリプレグ」 とも呼ばれる。このような高性能部品は、加熱された圧力室を備えるオートクレーブにおいて製造されることが可能である。より最近では、層状の炭素繊維シートから部品を製造するために、オートクレーブを使用しない成形を用いることが可能であり、これを「脱オートクレーブ」製造と呼ぶ。樹脂トランスファ成形または平衡圧力流体成形に基づく脱オートクレーブ複合体製造は、その大量生産を比較的低コストで可能にする。

【0033】

２つの冷却器部１２１および１２２間の水密ジョイント１２３は、たとえば、超音波またはレーザベースのプラスチック溶接または適切な接着結合を用いて形成されることが可能であって、２つの冷却器部間の別個のシールの必要性が軽減される。またこれは、冷却剤１１６の温度および化学組成に起因する経年変化後のシール不良による漏れリスクも減らす。

【0034】

既に述べたように、ベースプレート１０８の下面上に形成されるピンフィン１１７のアレイは、冷却用アッセンブリ１０５の開口１１８を介して突き出す。記載の実施形態では、２つの半導体パワーモジュール１０４に対応する２つの開口１１８が第１の冷却器部１２１内に形成されている。

【0035】

図１および図２に示す実施形態とは異なり、冷却用アッセンブリ１０５の上面１０９への半導体モジュール１０４の付着および密封は、異なる様式で実装される。強化ポリマー材料内へは、ねじ付きの金属製インレイ１２４が埋め込まれ、これにより、ねじ１０７およびクランプ１０６を用いて半導体モジュール１０４を第１の冷却器部１２１へクランプすることができる。これは、たとえば、インレイ１２４を、金属インサート成形とも呼ばれる第１の冷却器部１２１の成形に使用される形態にすることにより、達成されることが可能である。

【0036】

さらには、第１の冷却器部１２１の開口１１８を取り囲む溝１２０内へ直に、いわゆるフォームインプレース（ＦＩＰ）ガスケット１１９が形成される。したがって、図３および図４に示す実施形態では、Ｏリングまたは他のカスタマイズされた形態のガスケットなどの別個の部品が不要である。プラスチック製冷却器部１２１と金属製ベースプレート１０８との間にＦＩＰガスケット１１９を施すことにより、別個のＯリングガスケットを設ける必要性が軽減される。とはいえ、別の実施形態では、図３および図４に示すアセンブリにおいて、従来のＯリングガスケット１９またはカスタマイズされた形状を有する他の交換可能なガスケットも使用されることが可能である。

【0037】

図５は、本開示の第２の実施形態によるパワーモジュール１０１の断面を示す略図である。この場合も、図５に示す第２の実施形態に関連して、対応する参照符号が使用される。したがって、ここでは、簡潔さを期して、対応する部分についての説明を省く。

【0038】

図４に示す第１の実施形態の断面に対する、図５に示す断面から分かるように、冷却用アッセンブリ１０５の上面１０９への個々の半導体モジュール１０４の付着は、さらに単純化されている。インレイ１２４へ付着される別個のクランプ１０６および／またはねじ１０７を用いる代わりに、ベースプレート１０８および第１の冷却器部１２１は、各々、連動突起１２５および溝１２６を提供する。半導体モジュール１０４を第１の冷却器部１２１へ機械的に接合しかつ封止するために、第１の冷却器部１２１の溝１２６内に、接着剤ラインおよび場合によりシール結合ライン１２７が形成される。図示されていない一代替実施形態では、溝１２６がベースプレート１０８内に形成されて、冷却器の第１の冷却器部１２１上に連動突起１２５が形成される。

【0039】

半導体モジュール１０４と冷却用アッセンブリ１０５との間の連結を形成するためには、他の多くの連動機構も使用可能であるという事実に注目されたい。開示している連動機構の形状および相対配置は、保護の範囲を限定することを意図するものではない。

【0040】

この例示的な実施形態において、半導体モジュール１０４と冷却用アッセンブリ１０５との間の接着結合は、シリコーン接着剤を基礎とする。結合されるべき部位上の表面エネルギーは、４５ｍＮ／ｍより大きい。その表面粗さＲａは、４μｍ～６μｍであってもよい。

【0041】

図５に示す実施形態には、結合ライン１２７が第１の冷却器部１２１の製造中に容易に付けられ得る、という追加の利点がある。さらに、図５の拡大部に示すように、結合ライン１２７は、ベースプレート１０８および／または第１の冷却器部１２１の表面の幾何学的形状変化を、これらの部品上に残留応力を生じさせることなく吸収する、という能力を有する。最後に、結合ライン１２７は、様々な材料の熱膨張をも、ジョイントの構造的連結または水密性を損なうことなく吸収することができる。

【0042】

図示されていないが、各半導体モジュール１０４を冷却器の第１の冷却器部１２１に対して横方向に位置合わせするためのアラインメント機構が使用可能である。これにより、溝１２６内の横方向の結合ライン厚さ制御が向上する。加えて、または代替として、結合ライン１２７の垂直厚さを制御するために、溝１２６の外側のスペーサの使用が可能である。

【0043】

図６は、ステップＳ１～Ｓ５を用いてパワーモジュール１０１を製造するための方法を略示している。ステップＳ１～Ｓ５は、異なる順序で、かつ／または並行して実行され得るという事実に注目されたい。たとえば、第２の冷却器部１２２は、第１の冷却器部１２１より先に形成されてもよい。また、半導体モジュール１０４は、第２の冷却器部１２２へ接合される前に第１の冷却器部１２１へ付着されてもよい。

【0044】

ステップＳ１では、第１の冷却器部１２１が繊維強化ポリマー材料から形成され、第１の冷却器部１２１は、少なくとも１つの開口１１８と、第１の冷却器部１２１の第１の側面上に配置される少なくとも１つの付着点と、を有する。たとえば、先に述べたように、ガラス繊維強化ポリマー部を形成するために射出成形が使用されてもよく、または、炭素繊維強化複合体部を形成するために樹脂トランスファ成形または平衡圧力流体成形が使用されてもよい。プラスチック材料が型枠に入れられる前に、ねじ付きの金属製インレイ１２５などの追加コンポーネントが型枠内に置かれてもよく、その後、完成したプラスチック部品内に適宜埋め込まれる。型枠は、ガスケットまたは接着剤および場合によりシール結合ライン１２７を収容するための任意の所望される溝１２０または１２６および／または突起１２５を生成するように設計されることが可能である。さらに、第１の冷却器部１２１を形成するために、積層プロセスも使用されることがある。

【0045】

ステップＳ２では、第２の冷却器部１２２が繊維強化ポリマー材料から形成される。ステップＳ１に関連して先に述べたものと同様の材料および方法の使用が可能である。

【0046】

ステップＳ３では、第１の冷却器部１２１と第２の冷却器部１２２との間に冷却剤１１６用の空洞を形成するために、第１の冷却器部１２１と第２の冷却器部１２２とがプラスチック溶接または接着結合プロセスによって接合される。たとえば、先に説明したように、レーザ溶接または超音波溶接を使用して水密溶接シームが形成されてもよい。

【0047】

任意選択のステップＳ４では、第１の冷却器部１２１へガスケットが付着されてもよい。たとえば、第１の冷却器部１２１の表面上の溝１２０内に、従来のＯリングガスケット１９またはＦＩＰガスケット１１９が置かれてもよい。

【0048】

ステップＳ５では、一体化された冷却構造体を備えるベースプレート１０８を有する少なくとも１つの半導体モジュール１０４が、第１の冷却器部１２１の第１の側面へ、少なくとも１つの付着点を用いて付着される。その結果、一体化された冷却構造体は、少なくとも１つの開口１１８を介して冷却用アッセンブリ１０５の空洞内へ突き出す。先に詳述したように、これは、半導体モジュール１０４を第１の冷却器部１２１の上面１０９へねじ１０７を用いてクランプすることを含んでもよい。あるいは、半導体モジュール１０４のベースプレート１０８の第１の連動構造体は、第１の冷却器部１２１の対応する第２の連動構造体へ、接着剤および場合によりシール結合ライン１２７を用いて接着されてもよい。

【0049】

図１～図６に示す実施形態は、先に述べたように、改善された冷却用アッセンブリ１０５およびパワーモジュール１０１の例示的な実施形態を表していて、その製造に必要なステップについても詳述している。これらは、本開示による全ての実施形態を網羅的に記載するものではない。実際の冷却用アッセンブリおよびパワーモジュールならびにそれらの製造方法は、上述の実施形態に関連して示されている実施形態とは異なる場合がある。

【符号の説明】

【0050】

符号の説明
１ パワーモジュール
２ 第１のポート
３ 第２のポート
４ 半導体モジュール
５ 冷却用アッセンブリ
６ クランプ
７ ねじ
８ ベースプレート
９（上）面
１０ 成形体
１１ 基板
１２ 半導体ダイ
１３ リード
１４ 終端
１５ アルミニウム合金本体部
１６ 冷却剤
１７ ピンフィン
１８ 開口
１９ Ｏリングガスケット
２０ 溝
１０１ パワーモジュール
１０２ 第１のポート
１０３ 第２のポート
１０４ 半導体モジュール
１０５ 冷却用アッセンブリ
１０６ クランプ
１０７ ねじ
１０８ ベースプレート
１０９（上）面
１１０ ハウジング
１１１ 基板
１１２ 半導体ダイ
１１３ リード
１１４ 終端
１１５ プラスチック製本体部
１１６ 冷却剤
１１７ ピンフィン
１１８ 開口
１１９ ＦＩＰガスケット
１２０ 溝
１２１ 第１の冷却器部
１２２ 第２の冷却器部
１２３ ジョイント
１２４ インレイ
１２５ 突起
１２６ 溝
１２７ 結合ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】