(57)【要約】　　【課題】　少なくとも１つのパワー半導体素子と基板との間の電気的且つ熱的な伝導接続部、及び／又は、ヒートシンクに対する熱的な伝導接続部が、減少された熱抵抗及び必要ならば電気抵抗を有するようなパワー半導体モジュールを提供する。　　【解決手段】　少なくとも１つのパワー半導体素子（４）が、基板面に対して実質的に垂直に延びる炭素微小管（６）から成る層を用い、金属層（３）と接続されている、及び／又は、基板（２）が炭素微小管（５、８）から成る層を用い、ベースプレート（１）又は冷却体（１）と接続されていること。　　【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　ケーシングと、少なくとも１つのパワー半導体素子（４）と、第１表面上に金属層（３）が配設されている少なくとも１つの絶縁基板（２）とを含む、ベースプレート（１）を有する又は冷却体（１）上に直接的に取り付けるためのパワー半導体モジュールにおいて、
　少なくとも１つのパワー半導体素子（４）が、基板面に対して実質的に垂直に延びる炭素微小管（６）から成る層を用い、金属層（３）と接続されている、及び／又は、基板（２）が炭素微小管（５、８）から成る層を用い、ベースプレート（１）又は冷却体（１）と接続されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
　基板（２）と、炭素微小管（５、８）から成る層との間の第２主面上に他の金属層（７）が配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
　少なくとも１つのパワー半導体素子（４）が、それに配設されている炭素微小管を用い、圧力接触部を用いて基板（２）上に材料結合式で配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
　パワー半導体モジュールが、圧力接触部を用い、ベースプレート（１）又は冷却体（１）上に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
　炭素微小管（６）がパワー半導体素子（４）上に直接的に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
　炭素微小管（５、６）が基板（２）の少なくとも１つの金属層（３、７）上に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
　炭素微小管（５）が基板面に対して実質的に垂直に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
　基板（２）とベースプレート（１）又は冷却体（１）との間の炭素微小管が、炭素微小管と、接合剤、例えばシリコンオイルから成るペースト状の混合物（８）内に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、能動素子及び／又は受動素子を有し、ベースプレートを有する又は冷却体上に直接的に取り付けるためのパワー半導体モジュール、特に電流変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
　この種のパワー半導体モジュールは多岐に渡って様々な文献から知られている。特に、冷却要求の増加を伴うものである現代のパワー半導体モジュールを使用することにより、出力能力を増加させる場合、個々の構成部材のための構造技術の方法を変更することは必然的な前提条件である。
【０００３】
　本発明の出発点である現代のパワー半導体モジュールは、例えば下記特許文献１に記載されているようなベースプレートを伴わないモジュールであり、このモジュールは以下のものから構成されている：
・　ケーシング
・　セラミック基板；このセラミック基板は、このセラミック基板上に配設されていて回路に適して実施されている金属積層を有し、これらの金属積層は例えばＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）法により製造される。
・　前記のセラミック基板上にロウ付け技術を用いて材料結合式で設けられている、例えば、ダイオード、トランジスタ、抵抗、又はセンサのような構成要素（素子）
・　構成要素の構造化側を、他の構成要素、基板、及び／又は、外方へと案内するコネクタ要素と接続させるためのボンディング接続部
・　個々の構成要素を互いに絶縁するための好ましくはシリコンゴムから成る封止剤
【０００４】
　この種のパワー半導体モジュールのためには、冷却体上にモジュールを熱接触させるために圧力接触部（プッシュコンタクト）を用いた構造技術が極めて有利であると判明している。特に広い面によるロウ付け接続部は、適切な品質に関し、その制御が極めて困難であり、そのためにパワー半導体モジュールの信頼性と寿命が損なわれてしまうことが示されている。
【０００５】
　この種の圧力接触式パワー半導体モジュールの圧力構成は、好ましくは機械的に安定している圧力プレートを用いて達成される。生成された圧力は、他の構成に応じ、例えば下記特許文献２に示されているような圧力プレートの特別な構成を用い、又は下記特許文献３による弾性圧力蓄積器を用い、直接的に基板上に伝達され得る。
【０００６】
　この種の圧力接触式パワー半導体モジュールには、全面的な熱接触のため、従って冷却体上及び／又は基板下側上の非平坦性を補整するために、パワー半導体モジュールと冷却体との間に熱伝導媒体が設けられている。
【０００７】
　下記特許文献２又は３によるパワー半導体モジュール、並びに、従来技術から知られているものでベースプレートを有する又は冷却体上に直接的に取り付けるためのパワー半導体モジュールには、ヒートシンク例えば冷却体に対する熱排出が高熱抵抗と結び付いているという短所がある。この熱抵抗は、熱を発生するパワー半導体素子とヒートシンクとの間により多くの境界面があるほど大きいものである。例えば熱伝導ペーストのようなフレキシブル熱伝導層は、金属と比べ、明らかに高い熱抵抗を有する。パワー半導体モジュールからヒートシンクへの効果的な熱の排出は、高効率で且つコンパクトな構造トポロジーの基本的な構成要件である。
【０００８】
　従来技術による、ベースプレートを有する又は冷却体上に直接的に取り付けるためのパワー半導体モジュールにおける他の短所は、使用される現代のパワー半導体素子がチップ面ごとに比較的高い電流容量を有し、面単位ごとに比較的高い廃熱を発生させるということである。好ましくは金属積層されている基板とパワー半導体素子との間の接続部はパワー半導体モジュールの出力能力にとって既に制限量であると言える。パワー半導体素子内で発生する熱は、目下、存在する接続技術、多くの場合はロウ付け接続部を介して排出され得る。将来的なチップ世代において、パワー半導体素子と基板との間の接続部の熱伝導は、更に強く出力を制限する影響量と作用するだろう。同様に前記の接続部はその電流容量の限界にあると言える。ここでもパワー半導体素子と基板との間の電気接続部がパワー半導体モジュールの出力能力を決定する。
【０００９】
【特許文献１】ドイツ特許発明第19903875号明細書
【特許文献２】ドイツ特許発明第19648562号明細書
【特許文献３】ドイツ特許発明第19903875号明細書
【特許文献４】ドイツ特許出願公開第10103340号明細書
【特許文献５】ドイツ特許出願公開第10129170号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
　本発明が解決しようとする課題は、少なくとも１つのパワー半導体素子と基板との間の電気的且つ熱的な伝導接続部、及び／又は、ヒートシンクに対する熱的な伝導接続部が、減少された熱抵抗及び必要ならば電気抵抗を有するようなパワー半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
　前記の課題は、本発明に従い、請求項１に記載した特徴により解決される。有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１２】
　多岐に渡る研究作業、例えば前記特許文献４から、電気的且つ熱的に高伝導性の材料として炭素微小管（炭素ナノチューブ）が知られている。更に、この種の炭素微小管はチューブの経過する方向において優先方向を有することが知られている。この優先方向においてこれらの炭素微小管は適切な構成により金属と比べより小さい熱抵抗及びより小さい電気抵抗を有する。
【００１３】
　本発明の基本思想は、この種の炭素微小管を、熱的な伝導構成要素、及び／又は、熱的且つ電気的な伝導構成要素として、パワー半導体モジュール内、及び／又は、パワー半導体モジュールから冷却体に対して使用することにある。
【００１４】
　ベースプレートを有する又は冷却体上に直接的に取り付けるための本発明によるパワー半導体モジュールは、ケーシングと、電気的且つ熱的に接触すべき少なくとも１つのパワー半導体素子と、少なくとも１つの絶縁基板とから構成される。
【００１５】
　基板においてベースプレート又は冷却体の反対側にある第１表面上には金属層が配設されていて、この金属層は、好ましくは回路に適して構造化即ちパターン化されていて、この金属層上には少なくとも１つのパワー半導体素子が配設されている。パワー半導体素子とこの金属層との間の電気的且つ熱的な伝導接続部は、基板面に対して実質的に垂直に延びる炭素微小管から成る層が配設されている。
【００１６】
　選択的に又は補足として、本発明によるパワー半導体モジュールは、基板と、ヒートシンク、冷却体、又は、ベースプレートとの間に配設されている炭素微小管から成る他の層を有する。この層は高い熱伝導率を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
　本発明による解決策の特別な構成を図１及び図２を用いて説明する。図面では、ケーシングの描写、構成要素（素子）の上側と金属層との間の従来技術による接続部、並びに他のコネクト要素に対する接続部は、図面の見易さのために省略されている。
【００１８】
　図面には、本発明による構成要件を有するパワー半導体モジュールの断面図が示されていて、このパワー半導体モジュールは冷却体（１）或いはベースプレート（１）を備えた構造を有する。それにより以下の説明ではベースプレートと冷却体は同義語として使用されるものとする。
【００１９】
　図１には冷却体（１）が示されていて、この冷却体は、冷却体表面に対して実質的に直角に即ち垂直に延びている炭素微小管（炭素ナノチューブ）（５）から成り且つ冷却体上で成長された層を用い、絶縁基板（２）と熱伝導接続されている。炭素微小管から成る層は同様に基板（２）上で成長され得る。更に基板（２）上において冷却体側には、好ましくは金属層（７、図２）が配設されている。この層（７）は、基板（２）において冷却体（１）の反対側における金属層（３）と同様に、例えば周知のＤＣＢ法を用いて設けられ得る。このようにして形成された銅層と、炭素微小管から成る層との間に、銅層と比べて薄く且つ他の金属、例えばニッケルから成る他の層が炭素微小管のための付着仲介部として配設されていると有利であり得る。
【００２０】
　炭素微小管は、周知の方法、例えば前記特許文献４により、対応する表面上に施される。
【００２１】
　基板（２）において冷却体（１）の反対側にはパワー半導体素子（４）が配設されている。これらのパワー半導体素子（４）は、それらの基板（２）側にて、直接的にパワー半導体素子（４）上で成長された炭素微小管（６）から成る層を有する。
【００２２】
　金属層（３）上におけるパワー半導体素子（４）の確実な接触部は非図示の圧力接触部により達成される。そのためには適切な圧力要素を用いてパワー半導体素子（４）の上側に押し付けが成される。好ましくはこのようにして電気接触部が達成され得る。この種の接触部は例えば前記特許文献５から知られている。
【００２３】
　全パワー半導体モジュールは、同様に、例えば前記特許文献５による圧力接触部を用い、冷却体（１）上に押し付けられ、それによりこの冷却体と熱伝導接続される。
【００２４】
　基板（２）と冷却体（１）との間の熱伝導接続部の他の構成が図２に示されている。ここでは炭素微小管が上記のような全結合体として配設されているのではなく、個々の管又は管のグループとして、各々、接合剤、例えばWacker社のシリコンオイルＡＫＦ１０００内に埋設されている。このペースト状の混合物（８）は、従来技術による慣用の熱伝導ペーストと同様の方式で、基板（２）と冷却体（１）との間に配設されている。本発明による構成の長所は、従来技術と比べ、このペースト状の混合物の少なくとも２桁分小さな熱伝導率にある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による解決策の１つを示す図である。
【図２】本発明による解決策の１つを示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
　１　　冷却体又はベースプレート
　２　　基板
　３　　金属層
　４　　パワー半導体素子
　５　　炭素微小管（炭素ナノチューブ）
　６　　炭素微小管（炭素ナノチューブ）
　７　　金属層
　８　　炭素微小管を含むペースト状の混合物
【図１】
2004140356.tif 000003
【図２】
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