(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力半導体モジュール用の冷却デバイスにおいて、
金属で出来ている冷却器下部分(1)と、冷却器上部分(2)を備え、
前記冷却器上部分(2)は、一体金属接合により前記冷却器下部分(1)に接合され、
前記冷却器上部分(2)は、少なくとも１つの半導体素子(4)を置くための、金属マトリックス複合材で出来た冷却プレート(20)と、前記冷却プレート(20)の端面に一体に形成された金属縁(21)とを有し、
前記冷却プレート(20)は、その端面で完全に前記金属縁(21)により取り囲まれ、
前記冷却器上部分(2)と前記冷却器下部分(1)の間の一体金属接合は、前記金属縁(21)を介して行われることを特徴とする冷却デバイス。
【請求項２】
前記冷却プレート(20)は、前記金属縁(21)と同じ金属で出来ている請求項１に記載の冷却デバイス。
【請求項３】
前記金属縁(21)と前記冷却器下部分(1)とは、同じ材料で出来ている請求項１に記載の冷却デバイス。
【請求項４】
前記冷却プレート(20)は、炭化珪素複合材料で出来ている請求項１に記載の冷却デバイス。
【請求項５】
前記冷却プレート(20)は、アルミニウム炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）で出来、前記金属縁(21)はアルミニウム（Ａｌ）で出来ている請求項１に記載の冷却デバイス。
【請求項６】
高出力半導体モジュール用の冷却デバイスの製造方法において、
金属で出来ている冷却器下部分(1)と、冷却器上部分(2)が形成され、前記冷却器上部分(2)と前記冷却器下部分(1)とは、一体金属接合により相互に接合され、
前記冷却器上部分(2)を形成するため、冷却プレート(20)が金属マトリックス複合材から製造され、その端面に金属縁(21)が一体に形成され、前記冷却プレート(20)は、その端面で完全に前記金属縁(21)により取り囲まれ、
前記冷却器上部分(2)が、前記金属縁(21)により前記冷却器下部分(1)に接合されることを特徴とする製造方法。
【請求項７】
前記冷却器上部分(2)を形成するため、多孔性セラミックプレート(2')をモールド(6)内に置き、前記セラミックプレート(2')の端面(20")が、前記モールド(6)の壁面(60)と共に外周に沿った中間空間(7)を形成し、前記セラミックプレート(2')上と前記中間空間(7)内に金属(8)が鋳造され、前記金属(8)が凝固する請求項６に記載した製造方法。
【請求項８】
前記金属(8)は、圧力溶浸の手段により導入される請求項７に記載した製造方法。
【請求項９】
前記金属縁(21)は、摩擦圧接の手段により前記冷却器下部分(1)に接合される請求項６に記載した製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーエレクトニクスの分野に関する。本発明は、請求項１の前提部に記載された高出力半導体モジュール用の冷却デバイスと、請求項７の前提部に記載されたこのような冷却デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
EP-A 0,597,144に記載された高出力半導体モジュールは、多数の半導体素子（例えばサイリスタ、ＩＧＢ、又はダイオード）を有し、これらは共通のハウジング内に組合されて、論理機能単位を形成する。このような高出力半導体モジュールは、今日では6.5ｋＶまでの電圧範囲で作動し、適当な冷却が必要である。この目的のため、半導体素子は、共通の冷却デバイス上にロー付けされ、一般に冷却デバイスを通って冷却流体が流れる。一般に冷却デバイスとして、アルミニウムのヒートシンクが使用される。しかし、アルミニウムの熱膨張係数は、対応する半導体素子特に電気絶縁プレート又は半導体チップの熱膨張係数と一致しないという欠点がある。その結果、機械的応力が生じ、そのため半導体素子と冷却デバイスの間の半田層に疲労が起こり、電気的接触が分離される。
【０００４】
それゆえ、ドイツ特許公開DE-A-196,43,717は、半導体素子と熱膨張係数が一致する冷却デバイスを提案する。この目的に使用される冷却デバイスは、金属マトリックス複合材から、特にアルミニウム炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）又は銅炭化珪素（ＣｕＳｉＣ）から作られる。このような金属セラミック複合材料の製造は、例えば、James A. Cornieの Advanced Pressure Infiltration Casting Technology Produces Near-Absolute Net-Shape Metal Matrix Composite Components Cost Competitively, Materials Technology, Vol.10, No.34, March/April, 1995（高度圧力溶浸鋳造技術がほぼ完全なネットシェープ金属マトリックス複合素子を競争力あるコストで造る、材料技術、10巻34号、1995年3/4月）に記載されている。
【０００５】
この冷却デバイスは、冷却面積を増し熱伝達を改善するため、スタッド又はリブの形の冷却要素を有するのが好ましく、そのため比較的複雑な幾何学的形状を有する。第１の実施の形態では、冷却デバイスは、金属マトリックス複合材から一体的に鋳造される。しかし、このような冷却デバイスは、特に複雑な形状であれば製造が高くつき、さらにこれらは比較的高価な材料で出来ているので、比較的高価である。他の実施の形態では、冷却プレートのみが金属マトリックス複合材で出来ていて、残りの部分は低コスト材料、特にプラスチックで出来ていて、２つの部品を接合する。この実施の形態の欠点は、接合した接合部が時間の経過により疲労現象を生じることである。
【０００６】
欧州特許公開EP-A-0,661,917には、別の冷却デバイスが開示される。この冷却デバイスは、冷却器下部分と冷却器上部分を備え、一体材料接合により、冷却器下部分は冷却器上部分に接合される。両方の冷却器部分は、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、例えばアルミニウム炭化珪素で出来ている。冷却器部分の間の一体材料接合は、製造工程中に行われる。この目的のため、冷却器部分のセラミックプレフォームが最初に製造され、次のこれらの一方を他方の上に配置し、次に両方の部分の中に金属を溶浸させる。接合溶浸では、金属が毛管作用により両方に部分のポアを通って、これらを一体に接合する。製造が複雑で、金属を選択しなければならないので、これらの冷却デバイスもまた比較的高価である。接合の品質は毛管作用によるので、冷却器部分の形状によっては十分に緻密な複合材を作るのが困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、初めに記載した種類の冷却デバイスを低コストで容易に提供することである。
この目的は、請求項１に記載した冷却デバイスと、請求項７に記載した冷却デバイスの製造方法により達成される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による冷却デバイスは、冷却器下部分と冷却器上部分を備え、冷却器上部分は、金属マトリックス複合材、好ましくはアルミニウム炭化珪素で出来た冷却プレートを有し、その上に金属縁が一体に形成されている。この場合、２つの冷却器部分は、一体材料接合により金属縁を介して相互に接合される。
【０００９】
冷却プレートと金属縁は、冷却プレートを形成するためのセラミックプレフォームの金属溶浸中に、余分な金属を使用して金属縁を形成することにより、同じ製造ステップで製造することが出来る。
【００１０】
金属縁を冷却プレート上に一体に形成すると、冷却器上部分と冷却器下部分の間に簡単な方法により強力で長期間使用できる接合をすることが出来る。冷却器下部分は、容易に形成し処理できる低コスト材料、特にアルミニウムで作ることが出来る。冷却器下部分の材料を好適に選択すると、接合部の応力と欠陥を防止することが出来る。冷却器下部分は、冷却器上部分と同じ材料で出来ているのが好ましい。接合方法として、摩擦圧接が好ましい。冷却デバイス内で熱は局部的にしか影響しないからである。
【００１１】
このような冷却デバイスは、金属マトリックス複合材で出来た公知の冷却素子の利点を公知のアルミニウム冷却器の利点と組合せ、簡単に低コストで製造することが出来る。特別の縁は、冷却器の下部分に簡単な方法で接合することが出来、欠陥を防止することが出来る。
別の有利な実施例は、従属する請求項から明らかである。
【００１２】
【発明の実施の形態及び実施例】
次に、説明のための実施例により、添付の図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。
【００１３】
図１と２は、本発明による冷却デバイスを示す。これは、半シェルの形の冷却器下部分1と、本質的にプレートの形の冷却器上部分2とを備える。冷却器下部分1と冷却器上部分2は、空洞3を囲み、ここを通って冷却媒体特に水が流れるのが好ましい。このために必要な入口と出口開口部10,11が、冷却器下部分1に配置される。冷却器下部分1は、容易に成形できる低コスト材料、特に金属（例えば、アルミニウム又は銅）から作られる。ここに示す例では、冷却器下部分1は矩形の外形であるが、他の形状でも良い。
【００１４】
冷却器上部分2は、金属マトリックス複合材、特に炭化珪素複合材で出来た冷却プレート20を有する。冷却プレート20は、アルミニウム炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）で出来ているのが好ましい。しかし、銅炭化珪素（ＣｕＳｉＣ）又は炭化銅（ＣｕＣ）を使用することも出来る。冷却プレート20の上面20'（冷却器下部分1の反対側を向く）は、平面に設計され、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ダイオード等の半導体素子4を置くのに使用される。半導体素子4は、冷却プレート20の上に直接ロー付けされるのが好ましい。これは、特に半導体素子4が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で出来た下面を有するときは、問題を起こさない。この材料の熱膨張係数は、アルミニウム炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）の熱膨張係数と近いからである。
【００１５】
熱伝達を増加するため使用するスタッド又は冷却リブの形の冷却要素22が、冷却プレート20の冷却器下部分1に向いた下面上に設けられる。
冷却プレート20は、その端面20"で完全に金属縁21により取囲まれる。金属縁21は、金属マトリックス複合材に使用されたのと同じ金属、特にアルミニウム（Ａｌ）で出来ているのが好ましい。冷却器下部分1もまた、同じ金属で出来ているのが好ましい。
【００１６】
冷却プレート20の典型的な厚さは、2〜4ｍｍである。金属縁21の幅ｂは、典型的には5〜20ｍｍである。金属縁21と冷却プレート20とは、同じ厚さが好ましい。図２に示すように、冷却プレート20と金属縁21は、矩形である。しかし、他の形状でも良い。
【００１７】
冷却器上部分2は冷却器下部分1上にあり、一体材料接合により接合される。図１の5で示されるこの接合は、この場合金属縁21を介して行われる。
ここに示す実施例では、金属縁21は平面に設計され、冷却器下部分1の周囲に沿って円く形成された段12上にある。しかし、他の形状でも良い。
【００１８】
冷却器上部分2は、金属マトリックス複合材から冷却プレート20を製造し、その上に金属縁21を一体に形成することにより、簡単な方法で製造することが出来る。金属縁21の製造と金属マトリックス複合材の製造は、同じ処理ステップで行うことが出来る。図３を参照して、この方法の好適な変形を説明する。多孔性セラミックプレート2'の形のプレフォームをそれより大きいモールド6内に置き、セラミックプレート2'の端面20"が、モールド6の壁面60と共に外周に沿った中間空間7を形成するようにする。従来技術で行うように、セラミックプレート2'に金属8を溶浸する。このプロセスで、金属8は中間の空間7にも鋳造される。次に金属が凝固すると、第１に金属マトリックス複合材からなる冷却プレート20が出来、第２に金属縁21ができる。金属縁21の形状は、モールド6の形状により決まる。
【００１９】
冷却デバイスを製造するため、冷却器上部分2の金属縁21は、冷却器下部分1に接合する必要がある。この目的には、金属縁21と冷却器下部分1にアルミニウムが使われるときは、摩擦圧接が好適である。
本発明によるＡｌＳｉＣのプレートとキャストオン(cast-on)アルミニウムの縁を有する冷却デバイスは、低コストで簡単な製造が出来、堅固で耐久性のある接合を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による冷却デバイスの断面図である。
【図２】  図１の冷却デバイスの上側からの斜視図である。
【図３】  金属縁を備える冷却プレートを製造するモールドを通る断面図である。
【符号の説明】
1  冷却器下部分（半シェル）
10  入口開口部
11  出口開口部
12  段
2  冷却器上部分
2'  セラミックプレート
20  冷却プレート
20'  上面
20"  端面
21  金属縁
22  冷却要素（スタッド、リブ）
3  空洞
4  半導体素子
5  接合
6  モールド
60  壁面
7  中間空間
8  金属
ｂ  金属縁の幅
【図１】
0004651827.tif 000002
【図２】
0004651827.tif 000003
【図３】
0004651827.tif 000004