特許 7638337 Ｓセルを組み込んだコールドプレート

(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】2025-02-20

(45)【発行日】2025-03-03

(54)【発明の名称】Ｓセルを組み込んだコールドプレート

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20250221BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20250221BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20250221BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20250221BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20250221BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L25/04 C

H05K7/20 N

H05K7/20 F

H02M7/48 Z

【請求項の数】 20

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023130268

(22)【出願日】2023-08-09

(65)【公開番号】P2024028177

(43)【公開日】2024-03-01

【審査請求日】2024-11-13

(31)【優先権主張番号】17/820,956

(32)【優先日】2022-08-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【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】フォン チョウ

(72)【発明者】

【氏名】請川 紘嗣

【審査官】栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２１０４７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０２２７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－１３５６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１５２５１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２０９１３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２８６６０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第５１００７３７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コールドプレートであって、
グラファイト又はグラファイト複合材料を備える本体を有するＳセルであって、前記本体はパワーデバイスの凹部を画定し、前記Ｓセルは前記コールドプレートのキャビティ内に配置される、Ｓセルと、
前記Ｓセルを前記キャビティの基壁に接合する接合材と、
を備えるコールドプレート。

【請求項2】

前記Ｓセルの前記本体は、長さ、幅、及び奥行きを備え、前記Ｓセルの長さ及び奥行きは、前記Ｓセルの前記幅に対して高い熱伝導率を有する、
請求項１に記載のコールドプレート。

【請求項3】

前記Ｓセルの前記本体は、長さ、及び幅を備え、前記長さは前記幅よりも大きい、
請求項１に記載のコールドプレート。

【請求項4】

前記Ｓセルの前記本体の前記グラファイト複合材料は、グラファイトと、このグラファイトを少なくとも部分的に取り囲む金属部分と、を備える、
請求項１に記載のコールドプレート。

【請求項5】

前記金属部分は、前記グラファイトを完全に取り囲む、
請求項４に記載のコールドプレート。

【請求項6】

前記金属部分は、銅又は銅含有材料で形成される、
請求項４に記載のコールドプレート。

【請求項7】

前記接合材は、電気絶縁材料を備える、
請求項１に記載のコールドプレート。

【請求項8】

前記電気絶縁材料は、誘電体材料である、
請求項７に記載のコールドプレート。

【請求項9】

前記誘電体材料は、絶縁金属基板材料である、
請求項８に記載のコールドプレート。

【請求項10】

前記コールドプレートは、流体室、流体入口、及び流体出口をさらに備え、
前記流体入口及び前記流体出口は、前記流体室に熱的に結合される、
請求項１に記載のコールドプレート。

【請求項11】

パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリであって、
キャビティを画定するコールドプレートであって、
前記コールドプレートの前記キャビティ内に配置されるＳセルであって、前記Ｓセルはグラファイト又はグラファイト複合材料を含む本体を有し、前記本体はパワーデバイスの凹部を画定する、Ｓセルと、
前記Ｓセルを前記キャビティの基壁に接合する接合材と、
を備えるコールドプレートと、
前記Ｓセルの前記パワーデバイスの凹部内に埋め込まれる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12】

前記パワーエレクトロニクスデバイスは、前記パワーデバイスの凹部の１つ以上の表面に焼結される、
請求項１１に記載のパワーエレクトロニクスデバイス。

【請求項13】

前記Ｓセルの前記本体は、長さ、幅、及び奥行きを備え、前記Ｓセルの長さ及び奥行きは、前記Ｓセルの前記幅に対して高い熱伝導率を有する、
請求項１１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Ｓセルの前記本体は、長さ、及び幅を備え、前記長さは前記幅よりも大きい、
請求項１１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】

前記Ｓセルの前記本体は、前記グラファイト又はグラファイト複合材料を部分的に取り囲む金属部分をさらに備える、
請求項１１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16】

前記接合材は、絶縁金属基板材料を備える、
請求項１１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17】

パワーエレクトロニクスシステムであって、
回路基板アセンブリと、
前記回路基板アセンブリに結合されたパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリであって、
キャビティを画定するコールドプレートであって、
前記コールドプレートの前記キャビティ内に配置されるＳセルであって、前記Ｓセルはグラファイト又はグラファイト複合材料を含む本体を有し、前記本体はパワーデバイスの凹部を画定する、Ｓセルと、
前記Ｓセルを前記キャビティの基壁に接合する接合材と、
を備えるコールドプレートと、
前記Ｓセルの前記パワーデバイスの凹部内に埋め込まれる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と、
を備えるパワーエレクトロニクスシステム。

【請求項18】

前記コールドプレートは、その第１表面に前記回路基板アセンブリに結合され、
コンデンサが、前記コールドプレートの前記第１表面とは反対側の第２表面に結合される、
請求項１７に記載のパワーエレクトロニクスシステム。

【請求項19】

前記Ｓセルの前記本体は、長さ、幅、及び奥行きを備え、前記Ｓセルの長さ及び奥行きは、前記Ｓセルの前記幅に対して高い熱伝導率を有する、
請求項１７に記載のパワーエレクトロニクスシステム。

【請求項20】

前記Ｓセルの前記本体は、長さ、及び幅を備え、前記長さは前記幅よりも大きい、
請求項１７に記載のパワーエレクトロニクスシステム。

【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、パワーエレクトロニクスアセンブリ用の冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車における電子機器の使用が増加しているため、電子システムをよりコンパクトにする必要がある。このような電子システムの構成要素の１つに、インバータ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がある。パワーエレクトロニクスデバイスでは、熱が発生するため、高い冷却要求がある。

【0003】

さらに、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を現在は炭化ケイ素で構成する傾向がある。炭化ケイ素を使用すると、デバイスの設置面積が小さくなるため、熱流束が大きくなる。このような理由から、コンパクトなパッケージサイズを維持しながら、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性が生じている。

【発明の概要】

【0004】

或る態様では、コールドプレートは、グラファイト又はグラファイト複合材料の本体を持つＳセル（S-cell）を含む。本体はパワーデバイスの凹部を画定する。Ｓセルは、コールドプレートのキャビティ内に配置される。コールドプレートは、Ｓセルをキャビティの基壁に接合する接合材をさらに含む。

【0005】

別の態様では、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、キャビティを画定するコールドプレートと、パワーエレクトロニクスデバイスと、を含む。コールドプレートは、コールドプレートのキャビティ内に配置されるＳセルを含む。Ｓセルは、グラファイト又はグラファイト複合材料を含む本体を有する。本体は、パワーデバイスの凹部を画定する。コールドプレートは、Ｓセルをキャビティの基壁に接合する接合材をさらに含む。パワーエレクトロニクスデバイスは、Ｓセルのパワーデバイスの凹部内に埋め込まれる。

【0006】

さらに別の態様では、パワーエレクトロニクスシステムは、回路基板アセンブリと、回路基板アセンブリに結合されるパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリと、を含む。パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、キャビティを画定するコールドプレートと、パワーエレクトロニクスデバイスと、を含む。コールドプレートは、コールドプレートのキャビティ内に配置されるＳセルを含む。Ｓセルは、グラファイト又はグラファイト複合材料を含む本体を有する。本体は、パワーデバイスの凹部を画定する。コールドプレートはまた、Ｓセルをキャビティの基壁に接合する接合材を含む。パワーエレクトロニクスデバイスは、Ｓセルのパワーデバイスの凹部内に埋め込まれる。

【0007】

本明細書で説明する態様及び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ことにより、より完全に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

図面に記載された態様及び実施形態は、本質的に例示的かつ説明的であり、特許請求の範囲によって定義される主題を限定することを意図するものではない。例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示され、以下の図面と併せて読むと理解することができる。

【図1】図１は、本明細書で説明及び図示される１つ又は複数の実施形態による例示的なパワーエレクトロニクスシステムの概略斜視図である。

【図2】図２は、本明細書で説明及び図示される１つ又は複数の実施形態による、図１に図示されたパワーエレクトロニクスシステムの概略分解斜視図である。

【図3】図３は、本明細書で説明及び図示される１つ又は複数の実施形態による例示的なパワーエレクトロニクスシステムの概略断面図である。

【図4】図４は、本明細書で説明及び図示される１つ又は複数の実施形態による例示的なＳセルの概略断面図である。

【図5】図５は、本明細書で説明及び図示される１つ又は複数の実施形態による、図４に図示されたＳセルの概略斜視図である。

【図6】図６は、本明細書で説明及び図示される１つ又は複数の実施形態による、内部に埋め込まれた複数のＳセルを有する例示的なコールドプレートの概略上面斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本明細書で説明する実施形態は、概して、Ｓセルを包含するコールドプレートを含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリに結合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システムに向けられている。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埋め込むことができる。Ｓセルは、特に、パワーエレクトロニクスデバイスで発生する熱を移動させるための特定の熱伝導率を確保するために、サイズ及び形状が決められている。

【0010】

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、本明細書においてＳセルと呼ばれる実装基材（mounting substrate）に貼り付けられるパワーエレクトロニクスデバイスを含む。以下に、より詳細に説明するように、Ｓセルは、パワーエレクトロニクスデバイスの底部電極をパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリの他の構成要素から電気的に絶縁する電気絶縁層を含む。例えば、Ｓセルの一体型電気絶縁層は、電気的絶縁がＳセル自体によって提供されるため、プリント回路基板とコールドプレートとの間の電気絶縁層の除去を可能にする。

【0011】

以下に、より詳細に説明するように、本開示のＳセルは、コールドプレートに向かって熱流束の流れを促進するグラファイト層により、強化された放熱特性を提供する。本明細書で説明するＳセルは、コンパクトなパッケージ内に、積層金属、グラファイト、及び１つ又は複数の電気絶縁層を含む。本明細書で説明するＳセルのグラファイトは、等温プロファイルを持たないため、本明細書で説明するＳセルは、適切な熱拡散を確保する目的で、特に形状及びサイズが決められている。より具体的には、２つの軸に沿って延びるＳセルの一部は、比較的熱伝導率の低い第３の軸に沿って延びるＳセルの一部に対して、熱伝導率の高い領域を画定することができる。その結果として得られるＳセルの形状（例えば、矩形形状）は、熱伝導率の低い軸ではなく、熱伝導率の高い軸に沿って熱が拡散することを可能にする可能性があり、それによって、Ｓセル内の全体的な熱の拡散が改善され、及び／又は隣接するＳセルへの熱の拡散が減少し、それによって、パワーエレクトロニクスシステム内の集中型Ｓセル（centralized S-cells）が過熱する問題を回避することができる。

【0012】

本明細書で説明するコールドプレート、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システムなどは、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの電動化車両、任意の電気モータ、発電機、産業用工具、家庭用電化製品などに使用することができるが、これらに限定されるものではない。本明細書で説明す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結合され得るとともに、直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換するように動作可能なインバータ回路として構成され得る。

【0013】

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、直流電力を交流電力に変換するために、及びその逆に変換するために使用されるあらゆる電気部品を意味する。実施形態は、ＡＣ－ＡＣコンバータ、及びＤＣ－ＤＣコンバータの用途にも使用され得る。パワーエレクトロニクスデバイスの非限定的な例としては、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート型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挙げられる。

【0014】

本明細書で使用される「完全に埋め込まれる」という表現は、部品の各表面が基材によって取り囲まれている（surrounded）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基材（circuit board substrate）によって完全に埋め込まれている場合、回路基板基材の材料が回路基板基材の各表面を覆っていることを意味する。部品の１つ又は複数の表面が露出している場合、部品は「部分的に埋め込まれている」ことになる。

【0015】

本明細書で使用される「Ｓセル」は、コールドプレートのキャビティ内に挿入される、パワーエレクトロニクスデバイスに固定されて動作可能な実装基材であり、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。

【0016】

パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ、パワーエレクトロニクスシステム、及びコールドプレートの様々な実施形態を以下に詳細に説明する。可能な限り、同じ参照番号が、同じ又は同様の部品を参照するために図面全体を通して使用される。

【0017】

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システム１００が、それぞれ組立図及び分解図で図示されている。図１及び図２によって図示されるパワーエレクトロニクスシステム１００は、コールドプレート１０２、及び回路基板アセンブリ１０６を含む。図１及び図２には示されていないが、いくつかの実施形態では、接合層、又は熱グリース層が、コールドプレート１０２と回路基板アセンブリ１０６との間に配置されてもよい。コールドプレート１０２は、コールドプレート１０２のキャビティ１０３に結合又は埋め込まれ、及び／又は回路基板アセンブリ１０６の基板材料に結合又は埋め込まれる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とすることができる。コールドプレートの非限定的な例としては、ヒートシンク、単相液体冷却、二相液体冷却、ベイパーチャンバー（vapor chamber）が挙げられる。図１及び図２は、単相液体冷却装置として構成されたコールドプレート１０２を図示している。コールドプレート１０２は、コールドプレート１０２内の流体室１１５に流体的に結合された流体入口１３２及び流体出口１３４を含む。図１及び図２では、流体入口１３２及び流体出口１３４がコールドプレート１０２の同じ側に図示されているが、本開示はそ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、他の面に配置されてもよい。例えば、図６では、流体入口１３２が第１表面上に、流体出口１３４が第１表面とは反対側の第２表面上に図示されている。図３を簡単に参照すると、リザーバ（図示せず）からの冷却液（移動矢印１３５として描かれている）は、流体入口１３２を通って流体室１１５に流入し、流体出口１３４を通って流体室１１５から流出し、冷却液から熱を除去するための熱交換器（図示せず）を通った後などにリザーバに戻される。図示しないが、冷却液１３５への熱伝達のための追加表面積を提供するために、流体室１１５にフィンを配列してもよい。

【0018】

再び図１及び図２を参照すると、回路基板アセンブリ１０６は、コールドプレート１０２の第１表面１０７に結合（例えば、貼り付け（affixed））されている。図１及び図２は、回路基板アセンブリ１０６が、コールドプレート１０２のスルーホール１０５、及び回路基板アセンブリ１０６のスルーホール１０９を介して配置された締結具１０１（例えば、ボルト及びナット）によって、コールドプレート１０２の第１表面１０７に貼り付けられている状態を示している。締結具１０１が使用される場合、コールドプレート１０２と回路基板アセンブリ１０６との間に配置される接合層は、回路基板アセンブリ１０６とコールドプレート１０２との間の熱抵抗を低下させるための放熱グリース層であってもよい。放熱グリースとして構成されたこのような接合層は、専用のスルーホールを有さないことに留意されたい。図１及び図２に示される実施形態は、追加の電気部品１３０（図３参照）がコールドプレート１０２に結合されている場合に、特に使用され得ることが理解されるべきである。このような部品が含まれない場合、以下に説明するように、スルーホール１０５，１０９及び締結具１０１を省略することができる。

【0019】

他の実施形態では、回路基板アセンブリ１０６は、はんだ層として構成されて間に配置される接合層１０４によってコールドプレート１０２の第１表面１０７に結合（例えば、貼り付け）される。例えば、回路基板アセンブリ１０６の底面は、回路基板アセンブリ１０６がはんだ層によってコールドプレート１０２の第１表面１０７に結合（例えば、貼り付け）されることを可能にする金属層を含むことができる。本開示の範囲から逸脱することなく、他の接合方法を利用することもできる。

【0020】

さらに他の実施形態では、回路基板アセンブリ１０６は、コールドプレート１０２上に直接３Ｄプリントされる（例えば、コールドプレート１０２の第１表面１０７上に３Ｄプリントされる）、３Ｄプリント層であってもよい。このような実施形態では、回路基板アセンブリ１０６の３Ｄプリント層が全体の熱抵抗を低減することを理解されたい。回路基板アセンブリ１０６をコールドプレート１０２に貼り付けるための他の付加的な製造プロセスもまた考えられ、本開示の範囲内に含まれる。

【0021】

さらに他の実施形態では、回路基板アセンブリ１０６は、コールドプレート１０２の第１表面１０７に積層されてもよい。さらに、回路基板アセンブリ１０６の様々な構成要素とパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１２０（図３）との間に、レーザドリル加工を用いてビア接続を行ってもよい。すなわち、ビアは、積層回路基板アセンブリ１０６を貫通して、各導電層の上面及びパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１２０のパワーデバイスまで穿設される。その後、ビアは電気めっき法により銅で充填され、部品間の電気的接続が確立される。

【0022】

次に図３を参照すると、例示的なパワーエレクトロニクスシステム１００の断面図が図示されている。図示された実施形態では、追加の電気部品１３０がコールドプレート１０２の第２表面に結合（貼り付け）されている。非限定的な例として、追加の電気部品１３０は、例えば、インバータ回路のコンデンサとすることができる。他の実施形態では、追加の電気部品１３０は、コールドプレート１０２に取り付けられていなくてもよいことを理解されたい。

【0023】

回路基板アセンブリ１０６は、電気絶縁材料で作られた基材（substrate）１１１を含む。電気絶縁材料は、限定するものではないが、ＦＲ－４などのプリント回路基板の製造に使用される材料とすることができる。回路基板アセンブリ１０６は、埋め込まれた導電層１１０、及び複数のビア１１２（導電ビアとサーマルビアとの両方）をさらに含む。いくつかの実施形態では、回路基板アセンブリ１０６は、その中に完全に、又は部分的に埋め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１２０も含むことができる。しかしながら、図３に示された実施形態は、本明細書でより詳細に説明されるように、コールドプレート１０２のキャビティ１０３内に配置されるＳセル１２１内に埋め込まれたパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１２０を示す。

【0024】

非限定的な例として、コールドプレート１０２は、電気自動車用のインバータ回路のための６つのＳセル１２１、及び６つのパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１２０を受容するための６つのキャビティ１０３をその中に含むことができる。しかしながら、用途に応じて任意の数のＳセル及びパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを利用することができることを理解されたい。

【0025】

各パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１２０は、コールドプレート１０２のキャビティ１０３内に受容されるＳセル１２１と、Ｓセル１２１に結合（貼り付け）される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が接合される基材である。Ｓセル１２１は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０の底面の電極に接続するための導電性表面領域を提供する。Ｓセル１２１はさらに、電気的絶縁と同様に熱拡散機能を提供する。しかしながら、いくつかの実施形態では、本明細書でさらに詳細に説明するように、追加の電気絶縁層１８０をＳセル１２１とコールドプレート１０２のキャビティ１０３の基壁（base wall）１０４との間に介在させて、追加の電気絶縁を提供することができる。

【0026】

非限定的な例として、Ｓセル１２１は、合計６つのＳセル１２１が、コールドプレートの６つのキャビティ１０３の各々に配置されてもよい。さらに、パワー・エレクトロニクスデバイスアセンブリ１２０は、合計６つのパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１２０が、６つのＳセル１２１の各々に埋め込まれてもよい。従来の配置では、従来のＳセルの形状及びサイズにより、Ｓセルの各々から均一な熱拡散が生じ、その結果、Ｓセル間、特に中央に位置するＳセルにおいて熱拡散が生じ、それによりコールドプレートの全体的な冷却性能が低下していた。従って、本開示のＳセル１２１は、以下に説明するように、熱流束が、隣接するＳセルへの熱の拡散を回避する方向に向くように、特にその形状及びサイズが決められている。

【0027】

図４及び図５は、それぞれ、例示的なＳセル１２１を示す断面図及び上面斜視図である。Ｓセル１２１は、複数の積層された層から形成される本体１３１を含む。特に、図４及び図５に示されるＳセル１２１は、第１金属層１２２、グラファイト層１２４、及び第２金属層１２６を含む本体１３１を含む。第２金属層１２６は、グラファイト層に面する第１面１２５と、第１面１２５に対向する第２面１２８とを含み、第２面１２８は、その中にパワーエレクトロニクスデバイス１４０を受容するように寸法決めされた凹部１２７を有する。図４及び図５に示されるように、第１及び第２金属層１２２，１２６は、少なくとも部分的にグラファイト層１２４を取り囲んでいる。本明細書で使用される「グラファイト複合材料」という用語は、図４及び図５に示されるとともに本明細書で以下により詳細に説明されるように、グラファイトが金属によって少なくとも部分的に取り囲まれているような構造を包含することを意味する。以下に、より詳細に説明するように、第２金属層１２６は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０の底面上の電極に電気的接続を行うために導電性ビアが接触し得る導電性表面を提供する。図４及び図５に示されるＳセル１２１の様々な層は、単なる例示に過ぎないことを理解されたい。すなわち、例えば、Ｓセル１２１は、金属部分（例えば、１つ又は複数の金属層、金属シェル、金属ケーシングなど）によって少なくとも部分的に囲まれた１つ又は複数のグラファイト層を有してもよい。さらなる例では、Ｓセル１２１は、金属部分がその中に１つ又は複数のグラファイト層を封入するように、金属部分によって完全に取り囲まれている１つ又は複数のグラファイト層を含むことができる。これらの例のいずれもが、本明細書で使用される「グラファイト複合材料」という用語に包含される。

【0028】

非限定的な例として、Ｓセルの層は、接合層１２９（すなわち、活性金属ろう付け層（active metal brazing layers））を形成する高温活性金属ろう付け法（high-temperature active metal brazing method）によって一緒に接合されてもよい。しかしながら、種々の層は、他の既知の技術、及びまだ開発されていない技術を使用して接合され得ることを理解されたい。

【0029】

図４及び図５の実施形態における図示のＳセル１２１は、グラファイト層１２４、及び一対の金属層（すなわち、第１金属層１２２及び第２金属層１２６）を含み、図５に示されるＺ軸に沿って対称であるＳセル１２１を提供する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（high-temperature bonding process）中にＳセルにかかる力のバランスをとる。第１及び第２金属層１２２，１２６とグラファイト層１２４とは、異なる熱膨張係数を有するので、接合プロセス中に熱的に誘発される応力のバランスをとるために、対称的な基材積層体（symmetrical substrate stack）であることが望ましい場合がある。

【0030】

第１及び第２金属層１２２，１２６は、任意の適切な金属、又は合金で作ることができる。銅、及びアルミニウムは、非限定的な例として、第１及び第２金属層１２２，１２６として使用され得る。さらに、本明細書で説明するグラファイト層を少なくとも部分的に、又は完全に取り囲むために使用される金属部分は、銅及び／又はアルミニウム（ただし、これらに限定されない）などの任意の適切な金属又は合金であってもよいことを理解されたい。

【0031】

図５の実施形態に示されるグラファイト層１２４は、Ｓセル１２１を横切る熱とコールドプレート１０２（図３）に向かう熱の両方の拡散を促す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率を提供し、コールドプレート１０２に向かって熱流束を伝導するのに有用である。しかしながら、グラファイトは、等温プロファイルを持たない。むしろ、グラファイトは、２つの軸に沿って高い熱伝導率を有し、第３の軸では低い熱伝導率を有する非等温プロファイルを持つ。グラファイトの非等温プロファイルを考慮するため、Ｓセル１２１は、その長さ寸法が幅寸法よりも大きくなるような長方形の形状に設計されている。図５を参照すると、グラファイト層１２４は、図５に示されるＸ軸及びＺ軸に沿って高い熱伝導率を有する。したがって、Ｓセル１２１は、Ｘ軸方向の寸法がＹ軸方向の寸法よりも大きくなるように設計される。すなわち、Ｓセル１２１の幅ｗは、一般に座標軸のＹ軸に対応し、Ｓセル１２１の長さｌは、一般に座標軸のＸ軸に対応し、Ｓセル１２１の奥行きｄは、一般にＳセル１２１のＺ軸に対応する。長さｌ及び幅ｗは、一般に、本明細書で説明するように、Ｓセル１２１に矩形形状を与える平面を規定し、さらに一般に、凹部１２７が配向される横方向の平面を規定する。奥行きｄは一般にＳセル１２１の厚さを規定し、さらに一般に、凹部１２７が配向される垂直方向の平面を規定する。

【0032】

Ｓセルの矩形形状及びグラファイトの特性により、Ｓセル１２１の長さｌ及び奥行きｄは、比較的高い熱伝導率の方向を規定し、一方、Ｓセル１２１の幅ｗは、比較的低い熱伝導率の方向を規定する。非限定的な例では、Ｘ軸及びＺ軸に沿った方向におけるＳセル１２１の熱伝導率は約１５００Ｗ／（ｍＫ）であり得る一方、ｙ軸に沿った方向におけるＳセル１２１の熱伝導率は約１０Ｗ／（ｍＫ）であり得る。別の非限定的な例では、Ｙ軸に対するＸ軸及びＺ軸に沿った方向におけるＳセル１２１の熱伝導率の比は、約１００：１、約１５０：１、又は約１５０：１より大きい値であってもよい。その結果、熱流束は、Ｙ軸に対してＸ軸及びＺ軸に沿った方向に移動しやすくなり、したがって、Ｓセル１２１の長さｌ及び奥行きｄに沿ってＸ軸及びＺ軸に沿った方向に移動しやすくなる。この熱流束の移動により、熱流束がＹ軸に沿って隣接するＳセル１２１に移動しにくくなり、隣接するＳセル１２１が互いに過熱し合う問題を回避することができる。本明細書で、より詳細に説明するように、サーマルビアは、熱流束を受け取り、それをコールドプレート１０２に向かって移動させるために、Ｘ軸に沿ったＳセルの縁部に設けることができる。熱流束はまた、Ｚ軸に沿ってコールドプレート１０２に向かって移動する。

【0033】

Ｓセル１２１の第２金属層１２６は、その第２面１２８に形成された凹部１２７を有する。凹部１２７は、例えば、化学エッチングによって形成することができる。凹部１２７は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０（例えば、図３及び図６参照）を受容するサイズ及び形状を有する。第２面１２８は、一般に、第１面１２５（第２金属層１２６の第１の主要面又は表面として構成される）とは反対側にある第２金属層１２６の第２の主要面又は表面とすることができる。すなわち、第２金属層１２６は、第１面１２５がグラファイト層１２４に面し、反対側の第２面１２８が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３）に面する平坦層とすることができる。

【0034】

図６は、Ｓセル１２１を含むパワーエレクトロニクスデバイス１４０及びコールドプレート１０２を含む、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ１４６の部分分解図を示す。図６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。接合層１４３は、例えば、はんだ層であってもよい。別の例として、接合層１４３は、液相拡散接合層（transient liquid phase bond layer）１４３であってもよい。パワーエレクトロニクスデバイス１４０は、その上面に複数の電極１４１，１４２を含む。大きい電極１４１は電源電極であってもよく、小さい電極１４２は信号電極であってもよい。図６では見えないが、パワーエレクトロニクスデバイス１４０は、その底面に１つ以上の電極をさら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の底面上の１つ以上の電極は、凹部１２７にパワーエレクトロニクスデバイス１４０を配置することによって、第２金属層１２６に電気的に接続される。このように、パワーエレクトロニクスデバイス１４０の底面電極への電気的接続は、第２金属層１２６を経由して行うことができる。

【0035】

図３も参照すると、複数の電極１４１，１４２、及び第２金属層１２６への電気的接続は、複数のビア１１２によって行われる場合がある。これらのビア１１２は、パワーエレクトロニクスデバイス１４０に駆動信号を提供するとともに、スイッチング電流のための電流経路を提供することができる。いくつかの実施形態において、ビア１１２のいくつかは、駆動信号又はスイッチング電流を伝達しないサーマルビアとして構成されてもよいことに留意されたい。さらに、コールドプレート１０２のキャビティ１０３内にＳセルが配置されることにより、本明細書で説明するように、パワーエレクトロニクスデバイス１４０からＳセルを介してコールドプレートへの流束移動が可能になる。このようにして、熱流束はパワーエレクトロニクスデバイス１４０から離れ、Ｓセル１２１を介してコールドプレート１０２に向かって最適に誘導される。図３に示すように、冷たい冷却液１３５は流体入口１３２からコールドプレート１０２に流入し、流体室１１５を流れ、温められた冷却液として流体出口１３４から流出する。

【0036】

なお図３及び図６を参照すると、コールドプレート１０２のキャビティ１０３は、本明細書で説明するように、パワーエレクトロニクスデバイス１４０が埋め込まれる又はそれに結合されるＳセル１２１を受容する形状及び／又はサイズにすることができる。Ｓセル１２１とコールドプレート１０２のキャビティ１０３の１つ又は複数の壁との間に接合材１８０を配置してもよい。例えば、Ｓセル１２１をキャビティ１０３内に固定するために、接合材１８０をキャビティ１０３の基壁１０４及び／又は１つ以上の側壁に適用することによって、Ｓセル１２１をキャビティ１０３内に接合することができる。接合材１８０は、概して、本開示によって限定されず、概して、接合特性を提供する任意の材料であってよい。いくつかの実施形態では、接合材１８０は、例えば誘電体のような電気絶縁体として作用する材料であってもよい。別の例では、接合材１８０はＩＭＳ誘電体材料であってもよい。しかしながら、電気絶縁特性を有する他の材料も考えられ、本開示の範囲内に含まれる。

【0037】

ここで、本開示の実施形態は、Ｓセルを含むコールドプレートを含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリに結合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システムに向けられていることが理解されるべきである。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埋め込むことができる。Ｓセルは、グラファイト又はグラファイト複合材料から形成され、特に、Ｓセルの熱伝導性によって熱流束がコールドプレートに向かって移動し、隣接するＳセルから離れる方向に移動するように寸法決めされる。このようなパワーエレクトロニクスシステムはコンパクトであり、Ｓセルを電気的に絶縁する能力を維持しながら熱伝導率を向上させ、それによりＳセルからコールドプレートへの熱流束を改善し、従来のパッケージに比べてＰＣＢの熱拡散及び冷却性能を向上させる。

【0038】

本明細書において、「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利用され得ることに留意されたい。これらの用語はまた、本明細書において、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利用される。

【0039】

特定の実施形態が本明細書で図示及び記載されているが、様々な他の変更及び修正が、請求された主題の趣旨及び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に記載されているが、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。

【0040】

特許請求の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に様々な修正及び変更がなされ得ることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、本明細書は、そのような修正及び変更が添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内に入ることを条件として、本明細書に記載の様々な実施形態の修正及び変更を網羅することが意図される。
本明細書に開示される発明は以下の態様を含む。
＜態様１＞
コールドプレートであって、
グラファイト又はグラファイト複合材料を備える本体を有するＳセルであって、前記本体はパワーデバイスの凹部を画定し、前記Ｓセルは前記コールドプレートのキャビティ内に配置される、Ｓセルと、
前記Ｓセルを前記キャビティの基壁に接合する接合材と、
を備えるコールドプレート。
＜態様２＞
前記Ｓセルの前記本体は、長さ、幅、及び奥行きを備え、前記Ｓセルの長さ及び奥行きは、前記Ｓセルの前記幅に対して高い熱伝導率を有する、
態様１に記載のコールドプレート。
＜態様３＞
前記Ｓセルの前記本体は、長さ、及び幅を備え、前記長さは前記幅よりも大きい、
態様１に記載のコールドプレート。
＜態様４＞
前記Ｓセルの前記本体の前記グラファイト複合材料は、グラファイトと、このグラファイトを少なくとも部分的に取り囲む金属部分と、を備える、
態様１に記載のコールドプレート。
＜態様５＞
前記金属部分は、前記グラファイトを完全に取り囲む、
態様４に記載のコールドプレート。
＜態様６＞
前記金属部分は、銅又は銅含有材料で形成される、
態様４に記載のコールドプレート。
＜態様７＞
前記接合材は、熱絶縁材料を備える、
態様１に記載のコールドプレート。
＜態様８＞
前記熱絶縁材料は、誘電体材料である、
態様７に記載のコールドプレート。
＜態様９＞
前記誘電体材料は、絶縁金属基板材料である、
態様８に記載のコールドプレート。
＜態様１０＞
前記コールドプレートは、流体室、流体入口、及び流体出口をさらに備え、
前記流体入口及び前記流体出口は、前記流体室に熱的に結合される、
態様１に記載のコールドプレート。
＜態様１１＞
パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリであって、
キャビティを画定するコールドプレートであって、
前記コールドプレートの前記キャビティ内に配置されるＳセルであって、前記Ｓセルはグラファイト又はグラファイト複合材料を含む本体を有し、前記本体はパワーデバイスの凹部を画定する、Ｓセルと、
前記Ｓセルを前記キャビティの基壁に接合する接合材と、
を備えるコールドプレートと、
前記Ｓセルの前記パワーデバイスの凹部内に埋め込まれる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。
＜態様１２＞
前記パワーエレクトロニクスデバイスは、前記パワーデバイスの凹部の１つ以上の表面に焼結される、
態様１１に記載のパワーエレクトロニクスデバイス。
＜態様１３＞
前記Ｓセルの前記本体は、長さ、幅、及び奥行きを備え、前記Ｓセルの長さ及び奥行きは、前記Ｓセルの前記幅に対して高い熱伝導率を有する、
態様１１に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。
＜態様１４＞
前記Ｓセルの前記本体は、長さ、及び幅を備え、前記長さは前記幅よりも大きい、
態様１１に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。
＜態様１５＞
前記Ｓセルの前記本体は、前記グラファイト又はグラファイト複合材料を部分的に取り囲む金属部分をさらに備える、
態様１１に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。
＜態様１６＞
前記接合材は、絶縁金属基板材料を備える、
態様１１に記載のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ。
＜態様１７＞
パワーエレクトロニクスシステムであって、
回路基板アセンブリと、
前記回路基板アセンブリに結合されたパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリであって、
キャビティを画定するコールドプレートであって、
前記コールドプレートの前記キャビティ内に配置されるＳセルであって、前記Ｓセルはグラファイト又はグラファイト複合材料を含む本体を有し、前記本体はパワーデバイスの凹部を画定する、Ｓセルと、
前記Ｓセルを前記キャビティの基壁に接合する接合材と、
を備えるコールドプレートと、
前記Ｓセルの前記パワーデバイスの凹部内に埋め込まれる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と、
を備えるパワーエレクトロニクスシステム。
＜態様１８＞
前記コールドプレートは、その第１表面に前記回路基板アセンブリに結合され、
コンデンサが、前記コールドプレートの前記第１表面とは反対側の第２表面に結合される、
態様１７に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
＜態様１９＞
前記Ｓセルの前記本体は、長さ、幅、及び奥行きを備え、前記Ｓセルの長さ及び奥行きは、前記Ｓセルの前記幅に対して高い熱伝導率を有する、
態様１７に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
＜態様２０＞
前記Ｓセルの前記本体は、長さ、及び幅を備え、前記長さは前記幅よりも大きい、
態様１７に記載のパワーエレクトロニクスシステム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】