JP2005503039A - パワー電子ユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、平面的なセラミック基板２を有し、このセラミック基板の一方の面上には厚膜技術を用いて、同じようにセラミック基板２上に配置された、回路の電気的パワー構成素子７を電気的に接続するための導体路６が配置されている、パワー電子ユニットに関する。このセラミック基板２は自身の他方の面で硬ろう付けによって、ヒートスプレッダとして用いられている金属性の担体要素１上に被着されている。ここでこの担体要素１は、担体要素１を収容しているケーシングの熱伝導性ケーシング構成部分９と熱伝導性に接続されている。セラミック基板２の方を向いていない担体要素１の面には、このセラミック基板２にほぼ対向して、回路を担っているセラミック基板２とほぼ同じ大きさを有する第２のセラミック基板４が硬ろう付けによって被着されている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面的なセラミック基板を有するパワー電子ユニット、殊に自動車内の制御機器用のパワー電子ユニットに関する。ここでセラミック基板の一方の面上には厚膜技術を用いて導体路が配置されている。この導体路は、同じようにセラミック基板上に配置された、回路の電気的パワー構成素子を電気的に接続するためのものである。セラミック基板は他方の面で硬ろう付けによって、ヒートスプレッダとして用いられている金属性担体要素上に被着されている。ここでこの担体要素は、担体要素を収容しているケーシングの熱伝導性ケーシング構成部分と熱伝導性に接続されている。
【０００２】
パワー電子ユニットは、放出されなければならいような熱を電気的パワー構成素子が生成してしまうという欠点を有している。このために、担体要素を平面的なセラミック基板として構成し、このセラミック基板上に厚膜技術によって導体路を被着させ、電気的パワー構成素子並びに場合によっては制御構成素子も軟ろう付けによって導体路と接続させることが公知である。硬ろう付けによってこのセラミック基板は、ヒートスプレッダとして用いられ、接着剤によって熱伝導性ケーシング構成部分と接続される金属性担体要素上に被着される。
【０００３】
担体要素とセラミック基板の膨張係数は異なるので、これらの構成部分の変形の程度は異なる。これによって硬ろう付け後の冷却時にセラミック基板が損傷を受ける、場合によっては後に導体路と電気的パワー構成素子との間の軟ろう接続部も損傷を受ける恐れがある。
【０００４】
従って本発明の課題は、冒頭に記載した形式のパワー電子ユニットを改善して、電気的パワー構成素子によって生成された熱の良好な熱放出を保証し、セラミック基板と担体要素の材料の異なる膨張係数によって引き起こされる損傷を回避するパワー電子ユニットを提供することである。
【０００５】
上述の課題は、本発明と相応に、セラミック基板の方を向いていない担体要素の面に、このセラミック基板にほぼ対向して、回路を担っているセラミック基板とほぼ同じ大きさの第２のセラミック基板を硬ろう付けによって被着することによって解決される。
【０００６】
ほぼ同じセラミック基板を担体要素の両面に硬ろう付けすることによって、担体要素の両面から、ほぼ同じ大きさであるが反対に作用する熱応力が生じる。これらの熱応力は、少なくとも実質的に相殺されるので、熱応力によって引き起こされる、回路を担っているセラミック基板の損傷を回避する。ここで２つのセラミック基板の硬ろう付けは、できるだけその間の冷却なしに行われる。
【０００７】
さらに本発明による構成によって、電気的パワー構成素子によって生成される熱は非常に良好に導出される。なぜならこの熱は、硬ろう接続部を介してセラミック基板から非常に良好に、良好に熱を伝導しかつヒートスプレッダとして用いられている担体要素に伝えられ、担体要素より大きい面に分配され、その後、ケーシング構成部分および周囲へさらなる熱放出が行われるからである。ケーシング構成部分に接着接続されていることによって熱放出の低下が回避される。
【０００８】
担体要素はアルミニウムから成る。この場合、純アルミニウムによる構成は、その高い熱電導度によって熱放出をさらに改善する。
【０００９】
２つのセラミック基板が、硬ろう付けされるべき自身の面上に、自由表面がニッケルめっきされた厚膜材料層を有している場合、硬ろう付けプロセスの高い温度は、比較的低い融点を有している、アルミニウムから成る担体要素に損傷を与えない。
【００１０】
担体要素が銅から構成されている場合、さらにコストのかからない熱放出ひいては熱拡散が実現される。銅は非常に高い熱伝導度を有している。
【００１１】
１つまたは２つのセラミック基板を、Ａｌ_２Ｏ_３から構成することができる。
【００１２】
セラミック基板から担体要素への最適な熱移動を得るために、セラミック基板を少なくとも実質的にその全面にわたって、硬ろう付けによって担体要素と接続することができる。
【００１３】
容易かつ良好な熱伝導性接続は次のことによって得られる。すなわち担体要素が、セラミック基板より大きい面拡張部を有し、セラミック基板を越えて突出しているその領域によって、完全または部分的に平面的にケーシング構成部分に接してケーシング構成部分と接続されることによって得られる。
【００１４】
第２のセラミック基板の面も、電気的パワー構成素子の熱導出に用いるために、第２のセラミック基板は、担体要素の方を向いていない面で平面的にケーシング構成部分と接している。
【００１５】
両面でセラミック基板を支持している担体要素の取り付けを簡単にするために、第２のセラミック基板を、自身の大きさにほぼ相応するケーシング構成部分の凹部内に突出させることができる。
【００１６】
第２のセラミック基板とケーシング構成部分の間に、熱伝導ペースト層を配置すると、第２のセラミック基板からケーシング構成部分への熱伝導がさらに改善される。担体要素が固定要素を用いてケーシング構成部分に配置されることによって、担体要素はケーシング構成部分に確実かつ容易に配置される。この場合、担体要素はねじによってケーシング構成部分に容易に固定される。
【００１７】
付加的に担体要素とケーシング構成部分の間に、熱伝導ペースト層を配置することができる。この熱伝導ペースト層は、担体要素からケーシング構成部分への熱移動をさらに改善する。
【００１８】
周辺への特に良好な熱放出を実現するために、ケーシング構成部分をケーシングの外壁とすることができる。
【００１９】
電気的パワー構成素子によって生成された、放出されるべき熱が特に高い場合、ケーシング構成部分を、冷却剤が加えられたケーシング壁部とすることができる。
【００２０】
本発明の実施例を図示し、以下でより詳細に説明する。図には、パワー電子ユニットの横断面が示されている。
【００２１】
図示されたパワー電子ユニットは、純アルミニウムから成る長方形の担体要素１を有している。この担体要素の上面には、第１の平面的なセラミック基板２が、自身の面全体にわたって硬ろう層３によってろう付けされている。
【００２２】
担体要素１の下面には、セラミック基板２に対向し、同じ大きさを有して、第２のセラミック基板４が同じように硬ろう層５によってろう付けされている。
【００２３】
このような２つの硬ろう過程（これらの過程はその間にある冷却なしに実施される）の後に、導体路６がセラミック基板２上に厚膜技術で被着される。ここでこの導体路は電気的パワー構成素子７（この場合はトランジスタ）を電気的に接続するために用いられ、これによって接続が形成される。電気的半導体構成素子７は、軟ろう８によって導体路６と導電性接続され、これによってセラミック基板２上に固定される。
【００２４】
この構成ユニットは、セラミック基板２および４を越えて突出する領域１０を有する、セラミック基板２および４より大きい面拡張部分を有する担体要素１が平面的にケーシング構成部分９と接するように、アルミニウムダイカストケーシングのケーシング構成部分９と接続される。
【００２５】
ケーシング構成部分９内には、凹部１１が構成されている。ここでこの凹部は第２のセラミック基板４の大きさにほぼ相応し、この凹部内には第２のセラミック基板４が突出している。
【００２６】
セラミック基板２および４を越えて突出している領域１０と、ケーシング構成部分９の間には、熱伝導ペースト層１２が配置されており、第２のセラミック基板４と凹部１の底部の間には別の熱伝導ペースト層１３が配置されている。
【００２７】
領域１０内では、担体要素１がねじ１４によって、ケーシング構成部分９と固定的に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】パワー電子ユニットの横断面である。

Claims (15)

1. 殊に自動車内の制御機器用のパワー電子ユニットであって、
   平面的なセラミック基板を有しており、当該セラミック基板の一方の面上には厚膜技術によって、同じようにセラミック基板上に配置された回路の電気的パワー構成素子を電気的に接続するための導体路が配置されており、
   前記セラミック基板は自身の他方の面で硬ろう付けによって、ヒートスプレッダとして用いられる金属性担体要素上に被着されており、
   当該担体要素は、担体要素を収容しているケーシングの熱伝導性ケーシング構成部分と熱伝導性接続されている形式のものにおいて、
   前記セラミック基板（２）の方を向いていない担体要素（１）の面に、前記セラミック基板（２）にほぼ対向して、回路を支持しているセラミック基板（２）とほぼ同じ大きさを有する第２のセラミック基板（４）が硬ろう付けによって被着されている、
   ことを特徴とするパワー電子ユニット。
2. 前記担体要素（１）はアルミニウム、殊に純アルミニウムから成る、請求項１記載のパワー電子ユニット。
3. ２つのセラミック基板は、硬ろう付けされるべき自身の面上に厚膜材料層を有しており、当該厚膜材料層の自由表面はニッケルめっきされている、請求項２記載のパワー電子ユニット。
4. 前記担体要素は銅から成る、請求項１記載のパワー電子ユニット。
5. 前記１つまたは２つのセラミック基板（２, ４）はＡｌ_２Ｏ_３から成る、請求項１から４までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
6. 前記セラミック基板（２, ４）は、少なくとも実質的に自身の全面にわたって前記担体要素（１）と硬ろう付けによって接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
7. 前記担体要素（１）は、前記セラミック基板（２, ４）より大きい面拡張部分を有しており、
   担体要素のセラミック基板（２, ４）を越えて突出している領域（１０）で完全にまたは部分的に平面的にケーシング構成部分（９）に接してケーシング構成部分と接続されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
8. 前記第２のセラミック基板（４）は、担体要素（１）の方を向いていない自身の面で平面的に前記ケーシング構成部分（９）と接している、請求項１から７までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
9. 前記第２のセラミック基板（４）は、自身の大きさにほぼ相応するケーシング構成部分（９）の凹部（１１）内に突出している、請求項１から８までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
10. 前記第２のセラミック基板（４）と前記ケーシング構成部分（９）との間に熱伝導ペースト層（１３）が配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
11. 前記担体要素（１）は固定要素によって前記ケーシング構成部分（９）に配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
12. 前記担体要素（１）はねじ（１４）によって前記ケーシング構成部分（９）に固定されている、請求項１１記載のパワー電子ユニット。
13. 前記担体要素（１）と前記ケーシング構成部分（９）との間に熱伝導ペースト層（１２）が配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
14. 前記ケーシング構成部分（９）はケーシングの外壁である、請求項１から１３までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。
15. 前記ケーシング構成部分は、冷却剤が加えられたケーシング壁部である、請求項１から１０までのいずれか１項記載のパワー電子ユニット。