(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、パワーダイが取り付けられた基板とを備えるパワーモジュールであって、該パワーモジュールは、前記基板と前記ヒートシンクとの間に第１の材料及び第２の材料を更に備え、該第１の材料は、該第２の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、該第２の材料は、前記パワーダイの下に第１のキャビティを有し、該第１の材料は、該第２の材料の該第１のキャビティ内にあり、
前記基板は、前記パワーダイの下にあるサーマルビアを有し、
前記パワーモジュールは、前記基板と前記第２の材料との間に第３の材料を更に備え、前記第１の材料は、該第３の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、該第３の材料は、前記サーマルビアの下に第２のキャビティを有し、前記第１の材料は、該第３の材料の該第２のキャビティ内にあり、該第２のキャビティは、少なくとも第３のキャビティによって少なくとも１つの方向に延長されていることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項２】
ヒートシンクと、パワーダイが取り付けられた基板とを備えるパワーモジュールであって、該パワーモジュールは、前記基板と前記ヒートシンクとの間に第１の材料及び第２の材料を更に備え、該第１の材料は、該第２の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、該第２の材料は、前記パワーダイの下に第１のキャビティを有し、該第１の材料は、該第２の材料の該第１のキャビティ内にあり、
前記パワーモジュールは、前記基板と前記第２の材料との間に第３の材料を更に備え、
前記第１の材料は、ゲルであり、前記第２の材料及び前記第３の材料は、ＦＲ４プリプレグシートであることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項３】
前記第２の材料及び前記第３の材料は、各々１００μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
ヒートシンクと、パワーダイが取り付けられた基板とを備えるパワーモジュールであって、該パワーモジュールは、前記基板と前記ヒートシンクとの間に第１の材料及び第２の材料を更に備え、該第１の材料は、該第２の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、該第２の材料は、前記パワーダイの下に第１のキャビティを有し、該第１の材料は、該第２の材料の該第１のキャビティ内にあり、
前記パワーモジュールは、前記基板と前記第２の材料との間に第３の材料を更に備え、
前記基板、前記第２の材料、前記第３の材料及び前記ヒートシンクは、ナット及びボルトによってともに固定されることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項５】
前記基板は、前記パワーダイの下にあるサーマルビアを有することを特徴とする、請求項２から４までのいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記第１の材料は、該第３の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、該第３の材料は、前記サーマルビアの下に第２のキャビティを有し、前記第１の材料は、該第３の材料の該第２のキャビティ内にあり、該第２のキャビティは、少なくとも第３のキャビティによって少なくとも１つの方向に延長されていることを特徴とする、請求項５に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記第３の材料の前記第２のキャビティは、４つのキャビティによって４つの方向に延長されていることを特徴とする、請求項１または６に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記基板は、４つの穴を更に有し、各穴は、前記第２のキャビティを延長する１つのキャビティ上に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
ヒートシンクと、パワーダイが取り付けられた、サーマルビアを有する基板とを備えるパワーモジュールを製造する方法であって、前記パワーモジュールは、前記基板と前記ヒートシンクとの間に第１の材料及び第２の材料を更に備え、該第１の材料は、該第２の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、該第２の材料は、前記サーマルビアの下に第１のキャビティを有し、該第１の材料は、該第２の材料の該第１のキャビティ内にあり、該方法は、
前記基板の下又は前記ヒートシンクの上に第２の材料を位置決めするステップであって、該第２の材料は、前記サーマルビアの下に第１のキャビティを有する、ステップと、
前記第１のキャビティ内に第１の材料を位置決めするステップであって、該第１の材料は、前記第２の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する、ステップと、
前記パワーモジュールを形成するために、前記基板、前記第１の材料、前記第２の材料及び前記ヒートシンクを組み立てるステップと
を含み、
前記方法は、前記第１の材料の前記位置決めに先立って実行される更なるステップ、すなわち、
第３の材料と前記第２の材料との位置決めをするステップであって、前記第１の材料は、該第３の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、該第３の材料は、前記サーマルビアの下に第２のキャビティを有し、前記第１の材料は、該第３の材料の該第２のキャビティ内にあり、該第２のキャビティは、少なくとも第３のキャビティによって少なくとも１つの方向に延長されており、前記第１の材料は、前記第２のキャビティ内に配置される、ステップ
を含むことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、ヒートシンクと、パワーダイが取り付けられた基板とを備えるパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイドバンドギャップデバイスの市場浸透戦略により、熱抽出がプリント回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）を通じて実現される低インダクタンス表面実装デバイス（ＳＭＤ：Surface Mounted Device）パッケージの使用が促進される傾向にある。また、これにより、パワー半導体ダイがＰＣＢ内に埋め込まれる新たなパッケージング技術が促進される傾向にもある。これらの２つの動向により、高速スイッチングセルのみならず、低コストの組み立ても可能となっている。
【０００３】
ＰＣＢの熱抵抗は、サーマルビア（thermal via）又は厚みのある金属インレー（inlay）を用いて十分に低減することができる。主な障害点は、目下、ＰＣＢとヒートシンクとの間の熱インターフェースについてであり、この熱インターフェースは、以下、すなわち、ＰＣＢの大きな不規則性を補償するとともに、不均等な圧力印加及び熱機械歪みに起因する屈曲効果を得るための高い適合性、冷却効率を改善する高い熱伝導率、安全上の理由のためのヒートシンクとＰＣＢとの間の電気的絶縁、そして最後に、材料及びプロセスの低コストを要求する。
【０００４】
今日商業的に利用可能な大半の熱インターフェース解決策は、例えばＦＲ４プリプレグ、ポリイミド樹脂のような低適合性及び／又は低熱伝導率、及び／又は、例えば放熱グリース、グラファイトパッドのような非電気的絶縁／低電気的絶縁、及び／又は、例えば絶縁性パッドのような高コストのうちのいずれかを呈する。
【０００５】
１つの理由は、現在の熱インターフェース材料は、表面全体にわたって均一かつ高い熱伝導を有するインターフェースを提供するように設計されていることである。この特徴は、本質的に多機能であり、熱が特定の場所において、より正確にはパワー半導体ダイの下のみにおいて除去されるべきであるＰＣＢの場合にはもはや要求されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ＰＣＢ等の基板とヒートシンクとの間の、高度に適合可能であり、高熱伝導性であり、絶縁性でありかつ低コストのインターフェースを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このために、本発明は、ヒートシンクと、パワーダイが取り付けられた基板とを備えるパワーモジュールに関し、このパワーモジュールは、基板とヒートシンクとの間に第１の材料及び第２の材料を更に備え、第１の材料は、第２の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、第２の材料は、パワーダイの下に第１のキャビティを有し、第１の材料は、第２の材料の第１のキャビティ内にあることを特徴とする。
【０００８】
したがって、パワーダイは、第１の材料を伴う高伝導性の熱経路を通じて冷却される。
【０００９】
特定の特徴によれば、基板は、パワーダイの下にあるサーマルビアを有する。
【００１０】
したがって、パワーダイは、第１の材料を伴う高伝導性の熱経路を通じて冷却される。
【００１１】
特定の特徴によれば、パワーモジュールは、基板と第２の材料との間に第３の材料を更に備え、第１の材料は、第３の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、第３の材料は、サーマルビアの下に第２のキャビティを有し、第１の材料は、第３の材料の第２のキャビティ内にあり、第２のキャビティは、少なくとも第３のキャビティによって少なくとも１つの方向に延長されている。
【００１２】
したがって、基板とヒートシンクとの間の距離は、第３の材料の厚さによって調節される。
【００１３】
加えて、第１の材料は、第２の材料の第１のキャビティ全体に充填される。したがって、サーマルビアとヒートシンクとの間で誘電絶縁及び熱伝導率の双方が保証される。
【００１４】
特定の特徴によれば、第３の材料の第２のキャビティは、４つのキャビティによって４つの方向に延長されている。
【００１５】
したがって、第１の材料の余剰量を製造プロセス中にキャビティの外へ排出することができ、プロセス中又はプロセス後、ガスを流動させることができる。
【００１６】
特定の特徴によれば、基板は、４つの穴を更に有し、各穴は、第２のキャビティを延長する１つのキャビティ上に配置されている。
【００１７】
したがって、製造プロセス中に第２の材料の第１のキャビティ内で空気が遮断されず、誘電絶縁及び熱伝導率の双方が保証される。
【００１８】
特定の特徴によれば、第１の材料は、ゲルであり、第２の材料及び第３の材料は、ＦＲ４プリプレグシートである。
【００１９】
したがって、第１の材料は、非常に柔軟であり、適合性が高く、かつ容易に吐出可能であり、第２の材料及び第３の材料は、低コストであり、絶縁性であり、かつ基板とヒートシンクとの間の規定距離を確保する。加えて、第２の材料及び第３の材料は、標準的なＰＣＢプロセスを用いて組み付けることができる。基板がＰＣＢである場合、第２の材料及び第３の材料は、基板と同じプロセスステップにおいて基板に組み付けることができる。
【００２０】
特定の特徴によれば、第２の材料及び第３の材料は、各々１００μｍの厚さを有する。
【００２１】
したがって、十分な絶縁性は、第２の材料（４０Ｖ／μｍにおいて１００μｍ）、及び第１の材料（１６Ｖ／μｍにおいて２００μｍ）の双方によって提供される。
【００２２】
特定の特徴によれば、基板、第２の材料、第３の材料及びヒートシンクは、ナット及びボルトによってともに固定される。
【００２３】
本発明はまた、ヒートシンクと、パワーダイが取り付けられた基板とを備えるパワーモジュールを製造する方法に関し、パワーモジュールは、基板とヒートシンクとの間に第１の材料及び第２の材料を更に備え、第１の材料は、第２の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、第２の材料は、パワーダイの下に第１のキャビティを有し、第１の材料は、第２の材料の第１のキャビティ内にあり、本方法は、
基板又はヒートシンクの下に第２の材料を位置決めするステップであって、第２の材料は、サーマルビアの下に第１のキャビティを有する、ステップと、
第１のキャビティ内に第１の材料を位置決めするステップであって、第１の材料は、第２の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する、ステップと、
パワーモジュールを形成するために、基板、第１の材料、第２の材料及びヒートシンクを組み立てるステップと
を含むことを特徴とする。
【００２４】
特定の特徴によれば、本方法は、第１の材料の配置に先立って実行される更なるステップ、すなわち、
第２の材料上に第３の材料を位置決めするステップであって、第１の材料は、第３の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、第３の材料は、サーマルビアの下に第２のキャビティを有し、第１の材料は、第３の材料の第２のキャビティ内にあり、第２のキャビティは、少なくとも第３のキャビティによって少なくとも１つの方向に延長されており、第１の材料は、第２のキャビティ内に配置される、ステップ
を含む。
【００２５】
したがって、第１の材料は、シンプルで低コストかつ信頼性の高いプロセスを用いて、第１のキャビティ全体に吐出することができる。
【００２６】
本発明の特徴は、一例の実施形態の以下の説明を読むことによってより明らかになるであろう。この説明は、添付図面に関して作成されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による熱インターフェースアセンブリを用いるパワーモジュールの一つのセクションの第１の例を表す図である。
【図２】パワーダイが配置されるパワーモジュールの基板を表す図である。
【図３】本発明による熱アセンブリのスペーサーの形状を表す図である。
【図４】本発明による絶縁体シートの形状を表す図である。
【図５】本発明による熱インターフェースを組み立てるアルゴリズムを表す図である。
【図６ａ】本発明による熱インターフェースの組み立ての異なる段階のうちの１つを表す図である。
【図６ｂ】本発明による熱インターフェースの組み立ての異なる段階のうちの１つを表す図である。
【図６ｃ】本発明による熱インターフェースの組み立ての異なる段階のうちの１つを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明による熱インターフェースアセンブリを用いるパワーモジュールの一つのセクションの第１の例を表す図である。
【００２９】
パワーモジュールは、パワーダイ１００が取り付けられる（例えば、はんだ付けされる）基板１１０を備える。基板１１０は、２つの層と、熱伝導材料で充填されるとともに、はんだがビアを通って流れないようにキャッピングされたサーマルビア１５０とから構成される。代替的に、銅インレーを用いることができる。
【００３０】
一変形形態において、パワーダイ１００は、サーマルビアの代わりに基板内に埋め込むことができる。
【００３１】
また、基板１１０は、マルチレイヤーＰＣＢとすることもでき、内部銅プレーンを用いて、ヒートシンク１２５に向けて熱を拡散することができる。基板は、気体循環及びゲル乾燥／硬化を可能にするいくつかの穴又は充填されていないビア１４０ａ及び１４０ｂを有することができる。
【００３２】
パワーダイ１００は、ＤＰａｋ又はＤ２Ｐａｋ等のＳＭＤパッケージにおける、ＭＯＳＦＥＴ若しくはＩＧＢＴ又はダイオードである。代替的に、パワーダイは、ＰＣＢ内に埋め込まれる。
【００３３】
図１は、単一のパワーダイを示しているが、本発明は、複数のパワーダイが基板１１０上にはんだ付けされる場合にも適用可能である。
【００３４】
本発明によれば、基板１１０とヒートシンク１２５との間に、少なくとも２つの材料タイプが配置される。第１の材料１６０は、適合性が高く、数十μｍの厚さ変動を許容することができ、熱伝導性が高く、例えば、１Ｗ／（ｍ．Ｋ）を超えており、かつ、電気的に絶縁性であり、例えば、１０ｋＶ／ｍｍを超えている。第２の材料１２０は、電気的に絶縁性であり、例えば、１０ｋＶ／ｍｍを超えており、低コストで、かつ、その熱伝導率は、第１の材料の熱伝導率よりも低く、例えば、０．５Ｗ／（ｍ．Ｋ）未満である。
【００３５】
第１の材料１６０は、通常、電気絶縁及び熱伝導率の双方が要求されるパワーダイ１００の下で用いられ、第２の材料１２０は、通常、電気絶縁のみが要求される場所において用いられる。
【００３６】
例えば、第１の材料１６０は、熱伝導性液体ギャップ充填材料、いわゆるゲルであり、硬化性又は非硬化性であり、第２の材料１２０は、１００μｍの厚さを有するＦＲ４プリプレグシート、いわゆる絶縁体である。第３の材料１１５は、第２の材料１２０と基板１１０との間に配置される。
【００３７】
例えば、第３の材料は、１００μｍの厚さを有するＦＲ４プリプレグシート、いわゆるスペーサーである。
【００３８】
第３の材料のシート及び第２の材料のシートは、基板１１０とヒートシンク１２５との間の表面積の大半を占める。
【００３９】
パワー半導体ダイ１００の下に、熱伝導性ゲル１６０が用いられて、高効率の熱経路が提供される。
【００４０】
基板１１０、第２の材料及び第３の材料並びにヒートシンクは、いくつかのねじ又はナット並びにボルト１３０ａ及び１３０ｂを用いてともに組み立てられる。ねじ１３０ａ及び１３０ｂは、基板１１０、第２の材料及び第３の材料並びにヒートシンクを貫通することもできるし、ヒートシンクに挿入して、基板１１０、第２の材料及び第３の材料のみを貫通することもできる。代替的に、ばね又は別の機械的手段を用いることができる。
【００４１】
図２は、パワーダイが配置されるパワーモジュールの基板を表す図である。
【００４２】
既に開示したように、基板１１０は、２つの層と、熱伝導材料で充填されるとともに、はんだがビアを通って流れないようにキャッピングされたサーマルビア１５０とから構成される。パワーダイ１００は、ビア１５０上にはんだ付けされる。基板１１０は、ねじ１３０のための４つの穴２２ａ〜２２ｄを有する。
【００４３】
本発明の特定の特徴によれば、基板１１０は、パワーモジュールが組み立てられるとき、第３の材料１１５によって提供されるキャビティの頂部上に配置される４つの穴２５ａ〜２５ｄを有する。
【００４４】
図３は、本発明による熱アセンブリのスペーサーの形状を表す図である。
【００４５】
第３の材料１１５、又は換言すればスペーサーは、例えば、１００μｍのＦＲ４シートである。サーマルビア１５０の下にある第３の材料の一部分は、少なくとも別のキャビティによって少なくとも１つの方向に延長されたキャビティ３２である。図３の例において、サーマルビア１５０の下にある第３の材料の一部分は、３０ａ〜３０ｄで示される４つのキャビティによって４つの方向に延長されたキャビティ３２である。
【００４６】
他のキャビティ３０ａ〜３０ｄにより、パワーモジュールの組み立て時、第１の材料の余剰分がこれらのキャビティを通って排出されることが可能になる。
【００４７】
他のキャビティ、または、ディスペンス機構（dispensing）は、ゲル中に空気が存在することを防ぐように最適化された、いくつかのパターンに従って、実現することができる。パワーモジュールがヒートシンク１２５を用いて機械的に組み立てられた場合、基板１１０内のいくつかの貫通穴（スルーホール）及び／又はヒートシンクも、ゲルをディスペンス（dispense）することに用いることができる。
【００４８】
第３の材料１１５は、ねじ１３０のための４つの穴３５ａ〜３５ｄを有する。
【００４９】
第３の材料１１５は、第２の材料１２０とともに、２００μｍのゲル厚さを提供して、ゲルと絶縁体との界面における絶縁が十分であることを確実にするとともに、余分なゲルを吸収する。
【００５０】
図４は、本発明による絶縁体シートの形状を表す図である。
【００５１】
第２の材料、又は換言すれば絶縁体シート１２０は、例えば、１００μｍのＦＲ４シートである。サーマルビア１５０の下にある第２の材料の一部分は、キャビティ４０である。
【００５２】
第２の材料１２０は、ねじ１３０のための４つの穴４５ａ〜４５ｄを有する。
【００５３】
例えば、絶縁体１２０の厚さは、少なくとも要求される絶縁電圧、例えば、３ｋＶ等に耐えるように規定される。ＦＲ４材料の場合、１００μｍの厚さが選択される。
【００５４】
図５は、本発明による熱インターフェースを組み立てるアルゴリズムを表す図である。
【００５５】
ステップＳ５０において、第３の材料１１５が、基板１１０上に位置決めされる。
【００５６】
ステップＳ５１において、図６ａに示すように、第２の材料が第３の材料上に位置決めされる。
【００５７】
図６ａは、基板上の第３の材料及び第２の材料の位置決めを示している。
【００５８】
ステップＳ５２において、正確な量の第１の材料１６０が、第２の材料１２０及び第３の材料１１５によって形成されたキャビティ内に配置される。
【００５９】
少なくとも要求される絶縁電圧に耐えるように、ゲルの厚さが規定される。例えば、市販のゲル「Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  ＧＦ１５００」（１６ｋＶ／ｍｍ）の場合、１８７．５μｍの厚さが要求される。２００μｍの厚さを選択する。
【００６０】
ゲルの質量は、基板１１０の屈曲及び該当し得る種々の不確定要素を考慮に入れて、キャビティ内で絶縁が実現されることを確実にするように計算される。したがって、第３の材料１１５の他のキャビティ３５ａ〜３５ｄの働きによって、パワーモジュールの挙動を劣化させることなく、要求量を超えたゲルが概ねディスペンスされる。自動ディスペンサーを使用することができる。
【００６１】
第１の材料は、上述のような硬化するゲルとすることもできるし、経時的に粘性を保つゲルとすることもできるし、適用温度によって粘性が変化するゲル若しくは高い軟性を有するパッドとすることもできるし、高適合性材料、電気的絶縁材料、及び熱伝導材料を提供する異なる性質の材料の組み合わせとすることもできる。
【００６２】
図６ｂは、第２の材料１２０及び第３の材料１１５によって形成されたキャビティ内への第１の材料の位置決めを示す。
【００６３】
ステップＳ５３において、ヒートシンクは、ステップＳ５２において得られたアセンブリ上に位置決めされる。
【００６４】
ステップＳ５４において、アセンブリねじ１３０が、予め設定されたトルク、例えば、０．２Ｎ／ｍで押し込まれる。このステップ中、ゲルは、キャビティ内で拡がり、ヒートシンク１２５と基板１１０との間の良好な適合性を確実にすることに留意されたい。
【００６５】
ステップＳ５４において、ゲルは、雰囲気温度又はより高い硬化温度において乾燥することができる。ここで、ステップＳ５４は、任意のステップであることに留意されたい。
【００６６】
ここで、第２の材料及び第３の材料は、基板１１０、又はヒートシンク１２５に予め組み付けられた接着材料としてもよいことに留意しなければならない。第２の材料及び第３の材料は、例えば、ＦＲ４又はポリイミド樹脂とすることができる。
【００６７】
当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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