JP4139144B2 - 電子パワーモジュールおよびそのようなモジュールを実装するように設計されたパワー素子 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気絶縁基板上に配置された少なくとも１つのパワーモジュールを含む電子パワーモジュールに関し、また、そのような基板に実装されるように設計された半導体パワー素子に関する。本発明による電子パワーモジュールは、とりわけ、鉄道産業における配電回路に絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を実装するのに使用されることを意図したものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子パワーモジュールの性能は、動作中の電子パワー素子が到達する温度によって制限されることが知られている。例えば、１５０℃を超えると、シリコンチップの性能は、かなり低下する。そのために、ジュール効果によって放出される熱を効果的に除去し、それによって、素子の最適な動作温度を維持し、それによって、システムの有効電力または信頼性を増大させることがきわめて重要である。
【０００３】
一般には、鉄道牽引用に設計された電子パワーモジュールは、銅の直接ボンディング（ＤＢＣ）として知られている方法を用いた銅メタライゼーションにより上面および底面を覆われた窒化アルミニウムＡｌＮで作られた電気絶縁ウェーハを含む基板上にはんだ付けされたパワー素子から構成され、その基板は、銅からなる下層と接触する放熱器によって冷却される。しかしながら、そのような電子モジュールは、はんだおよびメタライゼーションにおいて、ボンディング層を有し、ボンディング層が、断熱層を構成するという欠点があり、基板から熱を伝導する性能を相当に減少させ、そのために、冷却放熱器を介してエネルギーを放出するのを制限する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、これらの欠点を取り除いて、パワー素子を卓越して良好に冷却することを保証する電子パワーモジュールを提案することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、電気絶縁基板上に配置された少なくとも１つの半導体パワー素子を含む電子パワーモジュールを提供し、該パワーモジュールは、半導体パワー素子が、基板と接触する面を含み、面が、部分的にメタライゼーションされ、かつ、ダイヤモンド層によって部分的に覆われ、メタライゼーションされた部分が、基板の表面に設けられた導体トラックと接触し、ダイヤモンドによって覆われた部分が、基板に形成された開口と位置合わせし、基板が、半導体素子から離れた面を含み、面が、冷却液によって冷却され、冷却液が、開口へ、そしてダイヤモンドによって覆われた部分の表面上を流れることを特徴とする。
【０００６】
特定の実施形態においては、電子パワーモジュールは、１つかまたはそれ以上の以下の特徴を、単独で、または、技術的に実現可能な組み合わせで備えてもよい。すなわち、基板と接触する半導体パワー素子の面が、周辺でメタライゼーションされ、かつ、表面の残りの部分上のダイヤモンド層によって覆われる。
【０００７】
ダイヤモンド層が、化学気相成長（ＣＶＤ）によって、半導体パワー素子上に堆積する。
【０００８】
半導体パワー素子を覆うダイヤモンド層が、基板の開口へ挿入される余分の厚さを形成し、前記開口が、ダイヤモンド層の形状と相補的である形状を有する。
【０００９】
半導体パワー素子が、ＩＧＢＴ素子である。
【００１０】
基板が、窒化アルミニウムＡｌＮから製造される。
【００１１】
本発明は、さらに、このような電子パワーモジュールに実装されるように設計された半導体パワー素子を提供し、該半導体パワー素子は、基板と接触するように設計された面を含み、その面が、部分的にメタライゼーションされ、かつ、部分的にダイヤモンド層によって覆われたことを特徴とする。
【００１２】
本発明による半導体パワー素子のもう１つの特徴によれば、面は、周辺でメタライゼーションされ、かつ、表面の残りの部分上のダイヤモンド層によって覆われる。
【００１３】
本発明の目的、特徴、および、利点は、非限定的な例として記述された本発明の実施形態に関する以下の説明を、添付の図面を参照して、読むことによってよりよく理解できる。
【００１４】
図面をわかりやすくするために、本発明を理解するのに必要な構成要素だけが図示されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、窒化アルミニウムＡｌＮからなる基板１上に配置されたＩＧＢＴ素子のような半導体パワー素子２を含む電子パワーモジュールを示す。
【００１６】
図２に概略的に示されるＩＧＢＴ素子２は、コレクタを構成する導体トラック４をそれの周囲に備え、かつ、長方形のダイヤモンド層３によってそれの中央を覆われた底面を有する。一般的には、ＩＧＢＴ素子２は、さらに、制御接続およびエミッタをそれの上面に有する。導体トラックのために確保された部分を除いて、ＩＧＢＴ素子の底面全体を覆うダイヤモンド層３は、素子２のシリコン面上に厚さが約１５０マイクロメーター（μｍ）になるまで化学気相成長（ＣＶＤ）させることによってそれ自体が既知の方法で得られ、導体トラック４は、素子２の面の周辺をマスクを介して厚さが約５μｍになるまでメタライゼーションすることによって、形成される。
【００１７】
図１において、ＩＧＢＴ素子２は、基板１に接触し、それによって、導体トラック４を、基板１によって支持された銅導体トラック５と接触させ、また、それによって、余分の厚さを有するダイヤモンド層３を基板１に形成された相補的な形状を有する開口８の中へ挿入する。開口８は、基板１を貫通し、基板１の底面へ通じており、冷却ハウジングの壁７に沿って流れる冷却液６が、基板の底面を通過する。
【００１８】
このようにして製造されたパワーモジュールは、冷却液と接触するダイヤモンド層を介する熱伝導によって主要部分が冷却される底面を有するＩＧＢＴ素子を備え、それによって、約１５００から２０００ワット／メーター・ケルビン（Ｗ／ｍ．Ｋ）のダイヤモンド層の優れた熱伝導性のために、かなりの量の熱エネルギーを冷却液へ排出することができ、また、ダイヤモンドの絶縁特性のために、冷却液とパワー素子との間の良好な電気的絶縁を保証する。さらに、そのようなパワーモジュールは、縦型技術素子とともに使用されるという利点を有し、この場合、電流は、半導体パワー素子が底面の周辺を介して接続されることによって、素子に流れる。
【００１９】
このように、本発明による電子パワーモジュールは、半導体パワー素子を最適に冷却することを保証し、それによって、より高い電圧またはより大きな電流のＩＧＢＴ素子を使用することができ、それによって、鉄道車両の牽引システムにおける電力変換装置を製造するのに必要とされる素子の数を減少させることができる。
【００２０】
当然ながら、本発明は、ただ単に例として説明および図示された実施形態に限定されるものではない。本発明によって保護される範囲を逸脱することなく、とりわけ、様々な要素の構成の観点から、あるいは、技術的に同等なものと置き換えることによって、変更が可能である。
【００２１】
したがって、図示されない様々な実施形態においては、導体トラックおよびダイヤモンド層の形状は、様々に変更されてもよく、また、それらは、半導体パワー素子の底面上に異なって配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子パワーモジュールの実施形態の概略断面図である。
【図２】図１に示されるパワーモジュールに実装されるパワー素子の概略底面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 半導体パワー素子
３ ダイヤモンド層
４ 導体トラック
５ 銅導体トラック
６ 冷却液
７ 冷却ハウジングの壁
８ 基板の開口

Claims (8)

  1. 電気絶縁基板（１）上に配置された少なくとも１つの半導体パワー素子（２）を含む電子パワーモジュールであって、
    前記半導体パワー素子（２）が、前記基板（１）と接触する面を含み、前記面が、部分的にメタライゼーションされ（４）、かつ、ダイヤモンド層（３）によって部分的に覆われ、前記メタライゼーションされた部分（４）が、基板（１）の表面上に提供された導体トラック（５）と接触し、前記ダイヤモンドによって覆われた部分（３）が、基板（１）に形成された開口（８）と位置合わせし、前記基板（１）が、半導体パワー素子（２）から離れた面を含み、前記面が、冷却液（６）によって冷却され、前記液が、前記開口（８）に、そしてダイヤモンドによって覆われた部分（３）の表面上を流れることを特徴とする電子パワーモジュール。
  2. 基板と接触する半導体パワー素子（２）の面が周辺でメタライゼーションされ、かつ、表面の残りの部分上のダイヤモンド層（３）によって覆われることを特徴とする請求項１に記載の電子パワーモジュール。
  3. 前記ダイヤモンド層（３）が、化学気相成長（ＣＶＤ）によって、半導体パワー素子（２）上に堆積することを特徴とする請求項１または２に記載の電子パワーモジュール。
  4. 半導体パワー素子（２）を覆うダイヤモンド層（３）が、基板の開口（８）の中へ挿入される余分の厚さを形成し、前記開口（８）が、ダイヤモンド層（３）の形状と相補的である形状を有することを特徴とする請求項１または３に記載の電子パワーモジュール。
  5. 半導体パワー素子（２）が、ＩＧＢＴ素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子パワーモジュール。
  6. 前記基板（１）が、窒化アルミニウムＡｌＮから製造されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電子パワーモジュール。
  7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のパワーモジュールに実装されるように設計された半導体パワー素子であって、
    前記半導体パワー素子が、基板（１）と接触するように設計された面を含み、前記面が、周辺でメタライゼーションされ、かつ、表面の残りの部分をダイヤモンド層（３）によって覆われることを特徴とする半導体パワー素子。
  8. 前記素子が、ＩＧＢＴ素子であることを特徴とする請求項７に記載の半導体パワー素子。
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