(57)【要約】第１の基板及び第２の基板１０であって、各基板は導電性材料のパターニング層１２を備える、第１の基板及び第２の基板１０と、基板の間に位置決めされた複数の予めパッケージ化されたパワーセル２０であって、各セルは、少なくとも１つのパワーダイ２２を埋め込む電気絶縁コア２１と、電気絶縁コア２１の両面における導電性材料の２つの外層２３であって、基板の各パターニング層にそれぞれ接続されている外層とを備える、予めパッケージ化されたパワーセルとを備え、予めパッケージ化されたパワーセルの各外層は、電気絶縁コア２１内に配置された接続部を通してパワーダイのそれぞれの接点２２０に接続されたコンタクトパッド２３０を備え、上記コンタクトパッドは、それが接続されているパワーダイ電気接点の表面積より広い表面積を有する、パワーモジュール１が開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の平面基板及び第２の平面基板であって、前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板のそれぞれは、熱伝導性材料の層と導電性材料のパターニング層とを備える、第１の平面基板及び第２の平面基板と、
前記第１の平面基板と前記第２の平面基板との間に位置決めされた複数の予めパッケージ化されたパワーセルであって、各前記パワーセルは、
電気絶縁コアと、
前記電気絶縁コア内に埋め込まれた少なくとも１つのパワーダイであって、前記パワーダイは前記第１の平面基板の側および前記第２の平面基板の側の両側に電気接点を有する、パワーダイと、
前記電気絶縁コアの前記第１の平面基板の側および前記第２の平面基板の側の両面のそれぞれに設けられた導電性材料の外層であって、前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板の導電性材料のパターニング層にそれぞれ接続されている外層と、
を備える、予めパッケージ化されたパワーセルと、
を備え、
各前記パワーセルの導電性材料の各前記外層は、各前記パワーセルの前記電気絶縁コア内に配置された接続部を通して前記パワーダイの各前記電気接点に接続されたコンタクトパッドを備え、各前記外層のコンタクトパッドの表面積は、各前記外層のコンタクトパッドが接続されている前記パワーダイの各前記電気接点の表面積より広い、パワーモジュール。
【請求項２】
各前記パワーセルは、前記電気絶縁コア内に埋め込まれた導電性材料である２つの内層を更に備え、
各前記内層は、前記パワーダイと各前記外層との間にそれぞれ位置決めされ、
各前記外層の厚さは各前記内層の厚さより大きく、
各前記外層のコンタクトパッドと前記パワーダイの各前記電気接点との間のそれぞれの前記接続部は、各前記外層のコンタクトパッドと各前記内層のコンタクトパッドとの間の第１の接続部と、各前記内層のコンタクトパッドと前記パワーダイの各前記電気接点との間の第２の接続部とを含む、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
導電性材料の各前記内層のコンタクトパッドの表面積は、各前記内層のコンタクトパッドが接続されている前記パワーダイの各前記電気接点の表面積より広い、請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
各前記パワーセルの各前記外層と各前記内層との間の各接続部、および各内層と前記パワーダイの各前記電気接点との間の各接続部は、前記電気絶縁コア内に配置された貫通ビアである、請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
各前記パワーセルの各前記外層と前記第１の平面基板及び第２の平面基板の各前記パターニング層とのそれぞれの間に、導電性かつ熱伝導性の接合材料の層を更に備え、前記接合材料は、はんだ、焼結、および導電性ペーストからなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記第１の平面基板と第２の平面基板との間、及び前記第１の平面基板又は第２の平面基板と各前記パワーセルとの間の空間を充填する誘電体材料を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
異なるパワーセル内に組み込まれた少なくとも２つのパワーダイは、それぞれの前記パワーダイの前記電気接点の間の最大距離として測定される、異なる厚さを有し、前記異なるパワーセルは、導電性材料のそれぞれの２つの外層の間で測定される、等しい厚さを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板は、直接接合銅基板、絶縁金属基板又は活性金属ろう付け基板である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板のうちの少なくとも一方の導電性材料の前記パターニング層の上に、実装された少なくとも１つの受動部品を更に備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板は、前記パワーダイの電源端子、出力端子及び制御端子を更に備え、前記電源端子、前記出力端子及び前記制御端子の少なくとも１つは、導電性材料の前記パターニング層に電気的に接続されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
２枚の基板を準備するステップであって、各前記基板は、熱伝導性材料の層とコンタクトパッドを有する導電性材料のパターニング層とを備える、準備するステップと、
前記２枚の基板の間に予めパッケージ化されたパワーセルを配置するステップであって、前記予めパッケージ化されたパワーセルはパワーダイを備え、前記パワーダイは、電気絶縁コア内に埋め込まれ、コンタクトパッドを有する導電性材料の外層に接続され、前記予めパッケージ化されたパワーセルの前記外層の前記コンタクトパッドは、各前記基板の各前記パターニング層の各前記コンタクトパッドと一致し、
前記パワーセルの導電性材料の前記外層の上に、又は導電性材料の各前記パターニング層の上に、接合材料が存在する、配置するステップと、
各前記基板及び前記予めパッケージ化されたパワーセルを合わせて接合するステップと、
を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のパワーモジュールを製造する方法。
【請求項１２】
各前記基板の間及び各前記予めパッケージ化されたパワーセルの間の残りの空間を誘電体材料によって充填するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記接合するステップの前に、各前記基板の導電性材料の各前記パターニング層のうちの少なくとも１つの上に少なくとも１つの受動部品を実装するステップを更に含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記接合材料は、スクリーン印刷又はノズル堆積によって塗布される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
複数の前記予めパッケージ化されたパワーセルの全てが同じ厚さを有するように、各前記予めパッケージ化されたパワーセルを製造する予備ステップを更に含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２枚の基板と、基板の間に位置決めされ、予めパッケージ化された複数のパワーセルとを備えるパワーモジュールに関し、予めパッケージ化された各パワーセルは少なくとも１つのパワーダイを備える。本発明はまた、こうしたパワーモジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイオード又は様々なタイプのパワートランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＨＥＭＴ）等のパワーダイは、例えば自動車業界、航空業界、鉄道業界等、様々な分野において、電源の制御及び変換に使用されるパワーモジュールにおける基本部品である。パワーダイは、通常横方向に組み立てられる信号調整ダイとは対照的に垂直に構築される。その結果、パワーダイは、その各面に電気接続部を有する。
【０００３】
現在、例えばパワーモジュールにおいてパワーダイを他の部品に接続する最も一般的な方法は、少なくとも一方の面が銅層で覆われたセラミック板を備える、直接接合銅（ＤＢＣ）基板等の基板を使用することである。パワーダイは、基板の一方の面にはんだ付けされるか又は焼結され、ダイメタライゼーション部の上に超音波溶接されるワイヤボンド又はリボンによってダイの他方の面に接続される。
【０００４】
スイッチング周波数のコンスタントな増大により、変換器全体の体積の削減が可能になる。このダウンサイジングにより、削減した体積内で電力が集中することになる。したがって、熱密度が更に増大する。これらの流れは全て、パワーモジュールの熱的強化及び信頼性向上の必要性に向かっている。
【０００５】
複数のパワーダイを備えるパワーモジュールにおいて放熱を強化するためには、ＤＢＣ等の２枚の冷却基板を備え、それらの間にパワーダイが挟挿されているパワーモジュールが既に提案されている。これは、例えば、特許文献１に、２枚の基板の間に位置決めされた複数のＩＧＢＴダイが開示されている。
【０００６】
これらのパワーモジュールの主な利点は、両面冷却によって放熱が優れる点にある。
【０００７】
しかしながら、既存の両面冷却解決法には欠点がないわけではない。第１に、焼結技術を使用することにより、２枚の基板の間でダイを接合するには、基板およびダイの両方に圧力をかける必要がある。ダイは非常に脆弱であるため、基板の間に位置決めされたダイのいずれもを破壊しないように基板の表面に圧力を適切に分散させるように気を付けなければならない。
【０００８】
第２に、ダイの厚さは、通常、様々なタイプのパワーダイの間で、例えばダイオードとパワースイッチとの間で異なる。この厚さの相違により、ダイの上面に第２の基板を直接接合することができない。これらの厚さのばらつきに適応するために、特許文献２等において、基板が平面ではなく隆起領域又はポストを呈するいくつかの解決法が提案されている。しかしながら、こうしたモジュールは、各部品の寸法公差のために、設計及び製造が複雑である。
【０００９】
ダイと第２の基板との間の接触面は、ダイ及び基板の上に焼結されたバンプによって作製され、バンプのサイズがダイの間の厚さのばらつきに適応するように作製されたパワーモジュールも提案されている。この種の解決法では、バンプは、電気絶縁を確保するためのスペーサとしても作用する。基板が、平均で約０．５ｍｍであるダイの厚さによってのみ分離された場合、絶縁を確保することができなかった。さらに、ダイの上および基板の上に追加のシムをはんだ付けする必要があり、熱応力を増大させるとともに熱伝導率を低下させるはんだ層が追加される。
【００１０】
しかしながら、これらの解決法は、パワーダイの電気接点のサイズが非常に限られている場合に生じる別の問題を解決しない。例えば、トランジスタ制御パッド（ゲート又はベース）は、電源パッドよりはるかに小さい。したがって、制御パッドを基板に接続することは特に困難である。特に、ワイドバンドギャップデバイスでは、ゲート接続には高精度な部品及びそれらの正確な位置合わせが必要であり、それには高価な機器が必要であるとともに高い歩留まりリスクがある。
【００１１】
この問題を考慮して、上述した解決法は現時点では未だ市販されておらず、文献に見られる両面モジュールは、ＩＧＢＴチップ又はダイオードのような大きいフィーチャーサイズに限られ、いかなる種類のパワーダイにも適合するというわけではない。
【００１２】
非特許文献１では、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴのゲートパッドのサイズ問題が、モリブデンシムとの接続を可能にするようにゲートパッドを拡大することによって対処されている。しかしながら、この解決法では、ダイメタライゼーションに大規模な変更が必要であり、それにより、効率的な熱及び電流の伝達が損なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６，０７２，２４０号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／０２５４１７７号
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】C. DiMarino他「Design of a novel, high-density, high-speed 10kV SiC MOSFET module」2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2017, pp. 4003-4010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記を考慮して、本発明は、効率的な冷却及び高い信頼性を備えたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
本発明の別の目的は、より容易なダイアタッチで両面冷却を有すると同時に、対向する基板の間に必要な電気絶縁を確保するパワーモジュールを提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、従来技術より製造が容易であるパワー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】
【００１８】
したがって、第１の平面基板及び第２の平面基板であって、各平面基板は、熱伝導性材料の層と導電性材料のパターニング層とを備える、第１の平面基板及び第２の平面基板と、
第１の平面基板と第２の平面基板との間に位置決めされた複数の予めパッケージ化されたパワーセルであって、予めパッケージ化された各パワーセルは、
電気絶縁コアと、
電気絶縁コア内に埋め込まれた少なくとも１つのパワーダイであって、パワーダイは両側の電気接点を有する、パワーダイと、
電気絶縁コアの両面における導電性材料の２つの外層であって、平面基板の導電性材料のパターニング層にそれぞれ接続されている外層と、
を有する、予めパッケージ化されたパワーセルと、
を備え、
予めパッケージ化されたパワーセルの導電性材料の各外層は、予めパッケージ化されたパワーセルの電気絶縁コア内に配置された接続部を通してパワーダイのそれぞれの電気接点に接続されたコンタクトパッドを有し、コンタクトパッドは、それが接続されているパワーダイ電気接点の表面積より広い表面積を有する、パワーモジュールが開示される。
【００１９】
実施形態では、予めパッケージ化された各パワーセルは、電気絶縁コア内に埋め込まれた導電性材料の２つの内層を更に備え、各内層は、パワーダイと各外層との間に位置決めされ、外層の厚さは内層の厚さより大きく、外層のコンタクトパッドとパワーダイのそれぞれの電気接点との間の接続部は、外層のコンタクトパッドと各内層のコンタクトパッドとの間の第１の接続部と、各内層のコンタクトパッドとパワーダイのそれぞれの電気接点との間の第２の接続部とを含む。
【００２０】
したがって、導電性材料の内層のコンタクトパッドの表面積は、それが接続されているパワーダイ電気接点の表面積より広いものとすることができる。
【００２１】
予めパッケージ化されたパワーセルの外層と内層との間の接続部と、内層とパワーダイの電気接点との間の接続部とは、電気絶縁コア内に配置された貫通ビアとすることができる。
【００２２】
実施形態では、パワーモジュールは、予めパッケージ化されたパワーセルの各外層と基板のパターニング層との間の導電性かつ熱伝導性接合材料の層を更に備え、接合材料は、はんだ、焼結、および導電性ペーストからなる群から選択される。
【００２３】
一実施形態によれば、パワーモジュールは、基板の間及び予めパッケージ化されたパワーセルの間の空間を充填する誘電体材料を更に備えることができる。
【００２４】
好ましくは、異なる予めパッケージ化されたパワーセル内に組み込まれた少なくとも２つのパワーダイは、パワーダイの両面の電気接点の間の最大距離として測定される厚さを有し、対応する予めパッケージ化されたパワーセルは、導電性材料のそれぞれの２つの外層の間で等しい厚さを有する。平面基板は、直接接合銅基板、絶縁金属基板又は活性金属ろう付け基板とすることができる。
【００２５】
実施形態では、パワーモジュールは、基板のうちの一方の導電性材料のパターニング層の上に実装された少なくとも１つの受動部品を更に備える。
【００２６】
基板は、パワーダイの電源端子、出力端子及び制御端子を更に備えることができ、端子は、導電性材料のパターニング層に電気的に接続されている。
【００２７】
２枚の基板を準備することであって、各基板が熱伝導性材料の層とコンタクトパッドを有する導電性材料のパターニング層とを備えるように、準備することと、
２枚の基板の間に予めパッケージ化されたパワーセルを配置することであって、予めパッケージ化された各パワーセルはパワーダイを備え、パワーダイは、電気絶縁コア内に埋め込まれ、コンタクトパッドを有する導電性材料の外層に接続され、予めパッケージ化された各パワーセルの外層のコンタクトパッドは、基板のパターニング層のコンタクトパッドと一致し、
パワーセルの導電性材料の外層の上に、又は導電性材料のパターニング層の上に、接合材料が存在するように、配置することと、
基板及び予めパッケージ化されたパワーセルを合わせて接合することと、
を含む、パワーモジュールを製造する方法も開示される。
【００２８】
この方法は、基板の間及び予めパッケージ化されたパワーセルの間の残りの空間を誘電体材料によって充填するステップを更に含むことができる。
【００２９】
この方法は、接合ステップの前に、基板の導電性材料のパターニング層のうちの１つの上に少なくとも１つの受動部品を実装するステップも更に含むことができる。
【００３０】
接合材料は、スクリーン印刷又はノズル堆積によって塗布することができる。
【００３１】
この方法は、予めパッケージ化されたパワーセルの全てが同じ厚さを有するように、予めパッケージ化されたパワーセルを製造する予備ステップを更に含むことができる。
【００３２】
本発明によるパワーモジュールは、予めパッケージ化されたパワーセルの両面に取り付けられる２枚の基板のために、優れた放熱を提供する。予めパッケージ化されたパワーセルを基板の間に組み込むことにより、パワーセルが基板の間のスペーサとして作用するため、かつパワーセルが電気絶縁材料のコアを構成するため、必要な電気絶縁を確保することができる。
【００３３】
さらに、予めパッケージ化されたパワーセルを使用することにより、ファンアウトパッケージの役割を果たすパワーセルの拡大したコンタクトパッドに、基板のコンタクトパッドを接続することができるため、パワーダイの小さい電気パッドへの接続が可能になる。
【００３４】
放熱及び電気絶縁を更に強化するため、基板の間及び予めパッケージ化されたパワーセルの間のパワーモジュールの空間を、電気絶縁かつ熱伝導性材料によって充填することもできる。
【００３５】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら非限定的な例を用いて与えられる以下の詳細な説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態によるパワーモジュールの概略図である。
【図２Ａ】本発明の別の実施形態によるパワーモジュールの概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａのパワーモジュールの一部の拡大図である。
【図３Ａ】本発明の別の実施形態によるパワーモジュールの概略図である。
【図３Ｂ】本発明の別の実施形態によるパワーモジュールの概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による製造方法の主なステップを概略的に表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
ここで、図１を参照して、本発明の一実施形態によるパワーモジュール１について説明する。
【００３８】
パワーモジュール１は、２枚の基板１０を備え、各基板１０は、電気絶縁材料でもある、熱伝導性材料の少なくとも１つの層１１を備え、その上に導電性材料のパターニング層１２が配置されている。基板１０は、例えば、直接接合銅（ＤＢＣ）基板とすることができ、そこでは、熱伝導性かつ電気絶縁層を形成するセラミック板１１（例えば、アルミナ製）の上に銅のパターニング層１２が配置されている。他の例によれば、基板１０は、絶縁金属基板（ＩＭＳ）又は活性金属ろう付け（ＡＭＢ）基板とすることができる。
【００３９】
パワーモジュール１は、２枚の基板１０の間に位置決めされた複数の予めパッケージ化されたパワーセル２０を更に備え、導電性材料の２つのパターニング層１２は互いに向かって位置決めされている。各予めパッケージ化されたパワーセル２０は、少なくとも電気絶縁コア２１を備え、そこには、少なくとも１つのパワーダイ２２が埋め込まれている。パワーダイは、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＩＧＢＴ、又はＨＥＭＴ等、ダイオード又はトランジスタとすることができる。実施形態では、パワーダイ２２は、ワイドバンドギャップ半導体、すなわち、２ｅＶ〜４ｅＶの範囲のバンドギャップを有する半導体から作製される。例えば、パワーダイは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）から作製することができる。
【００４０】
パワーダイは、その両面に電気接点２２０を有する（図２Ｂ）。この実施形態では、パワーダイ２２は、ダイオードであり、互いに対向する面のそれぞれに電気接点２２０を有する。別の実施形態では、パワーダイ２２は、トランジスタであり、トランジスタのタイプに従って、ゲート、ソース及びドレイン、又はゲート、エミッタ及びコレクタを含む３つの電気接点２２０を有する。パワーダイ２２はまた、４つ以上の複数の電気接点を有することもできる。
【００４１】
予めパッケージ化されたパワーセル２０の電気絶縁コア２１は、好ましくは、より優れた放熱を提供するように低熱抵抗を有する。電気絶縁コア２１は、ＦＲ−４ガラスエポキシ、ポリイミド、ＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）又はＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）等のセラミックで作製することができる。
【００４２】
さらに、予めパッケージ化されたパワーセル２０は、電気絶縁コア２１の両側の主面に、導電性材料（たとえば、銅）の２つの外層２３を更に備える。したがって、予めパッケージ化されたパワーセル２０の２つの外層２３は、セル２０が基板の間に位置決めされると、基板１０のそれぞれの導電性層１２と接触する。
【００４３】
各外層２３は、エッチング又はフライス加工のいずれかにより、基板１０の導電性層１２のパターンと一致するようにパターニングされる。このために、各外層は、予めパッケージ化されたパワーセルが基板１０の間に挿入されると、導電性層のうちの１つのコンタクトパッド（図示せず）と一致するように構成されている、少なくとも１つのコンタクトパッド２３０を備える。さらに、外層２３のコンタクトパッド２３０、又は、第１のコンタクトパッドに接続されかつ同じ電位の、同じ層の別のコンタクトパッドは、パワーダイ２２のそれぞれの電気接点２２０にも接続されている。
【００４４】
したがって、基板１０のパターニングされた導電性層１２とパワーダイ２２との間に接続が確立される。
【００４５】
したがって、パワーモジュールは、それぞれのパワーセル（各パワーセルは１つ以上のパワーダイを備えることができる）に組み込まれかつパワーモジュールの必要なトポロジーに従ってパワーセルと接続する、複数のパワーダイ２２を備えることができる。例えば、パワーモジュールは、インバータ又はＤＣ／ＤＣ変換器とすることができる。
【００４６】
図１に概略的に示す一実施形態では、予めパッケージ化されたパワーセル２０の外層のコンタクトパッド２３０は、電気絶縁コア２１内に配置されたビア２４によって、パワーダイのそれぞれの電気接点に接続されている。
【００４７】
図２Ａ及び図２Ｂに概略的に示す別の実施形態では、予めパッケージ化されたパワーセル２０は、導電性材料（例えば、銅）の少なくとも２つの内層２５を更に備え、各層は、電気絶縁コア２１内に埋め込まれ、パワーダイとそれぞれの外層２３との間に位置決めされている。その場合、各内層２５は、電気絶縁コア２１内に配置されたビア２４０によってパワーダイのそれぞれの電気接点に接続された、少なくとも１つのコンタクトパッド２５０を備え、外層２３のコンタクトパッド２３０は、電気絶縁コア２１内に配置された他のビア２４１によってそれぞれの内層２５のコンタクトパッドに接続されている。したがって、外層２３のコンタクトパッド２３０はパワーダイの電気接点に、外層２３の間に位置決めされた内層２５によって接続されている。
【００４８】
好ましくは、外層のコンタクトパッド２３０の表面積は、それが接続されているパワーダイ電気接点２２０の表面積より広い。したがって、予めパッケージ化されたパワーセルの使用により、外層の拡大したコンタクトパッド２３０のために、パワーダイの接点表面積を拡大することができる。
【００４９】
予めパッケージ化されたパワーセル２０が、それぞれのコンタクトパッド２５０を有する導電性材料の内層２５を更に備える実施形態では、内層２５のコンタクトパッド２５０の表面積は、それが接続されているパワーダイの電気接点の表面積より大きく、それが同様に接続されている外層のコンタクトパッド２３０の表面積より小さいか、又は同じ表面積を有することができる。
【００５０】
このため、いずれの場合も、パワーダイの電気接点と外層２３のコンタクトパッド２３０との間の表面積が増大する。
【００５１】
これにより、予めパッケージ化されたパワーセル２の基板１０との組立及び接続がより容易になり、ダイ２２への高電力の伝送も可能になる。
【００５２】
予めパッケージ化されたパワーセル２０が導電性材料の内層２５を備える実施形態では、外層は、パワーダイへの電力伝送を増大させるために、内層２５の厚さより大きい厚さ、例えば、少なくとも５倍又は１０倍大きい厚さを有することができる。非限定的な実施形態によれば、内層２５は、約３０μｍ〜３５μｍの厚さを有することができ、外層２３は、約４００μｍの厚さを有することができる。
【００５３】
十分な電力伝送に適応するために、パワーダイ電気接点を内層コンタクトパッドに接続するビア２４０の密度は、少なくとも２０ビア／ｍｍ２、例えば３０ビア／ｍｍ２とすることができ、例えば、ビアホール深さ対ドリル径の比は１：２．５である。
【００５４】
内層のコンタクトパッド２５０を外層のコンタクトパッドに接続するビア２４１の密度は、外層のコンタクトパッドの表面積の方が重要であるため、３０ビア／ｍｍ２以下とすることができ、例えば、ビアホール深さ対ドリル径の比は１：１である。
【００５５】
各予めパッケージ化されたパワーセルは、より詳細に後述するように、焼結、はんだ付け、又は液相拡散接合技法のいずれかによって、モジュール１の基板１０に取り付けられる。したがって、モジュール１は、予めパッケージ化されたパワーセル２０の各外層２３と基板の導電性層１２との間に、はんだペースト、焼結ペースト（例えば、Ａｇ焼結ペースト）又は導電性ペースト等の接合材料の層３０を更に備える。
【００５６】
様々なパワーダイの厚さは可変である可能性があり、その厚さは、パワーダイの両側の電気接点の間の距離であるため、同じパワーモジュール１の、異なる厚さのパワーダイを組み込むすべての予めパッケージ化されたパワーセルは、好ましくは、パワーセルの外層２３の間の距離として測定される同じ厚さを有する。パワーダイの間の厚さのばらつきに適応するために、パワーセルは、電気絶縁コアの一定の厚さを有することができ、この厚さは、パワーダイのうちの任意のものを埋め込むために十分であるように、かつ、両基板１０の間に十分な電気絶縁を確保するように、決定される。
【００５７】
したがって、電気絶縁コア２１の厚さは、最大厚さのパワーダイを埋め込むように、かつ基板の間の電気絶縁を提供するように、最小厚さとして決定される。したがって、パワーダイの厚さのばらつきは、パワーセルによって補償され、このため、パワーモジュールの設計及び製造はより容易になる。
【００５８】
パワーセルの厚さがパワーダイの厚さを上回ることにより、基板１０の間に、それらの間に必要な電気絶縁を提供するために十分な空間もまたもたらすことができる。
【００５９】
例えば図３Ａ及び図３Ｂに示すように、パワーモジュール１はまた、基板のうちの一方の１つの導電性層１２に接合することができる、デカップリングコンデンサー又はゲート抵抗等の追加の受動部品４０もまた備えることができる。
【００６０】
パワーモジュール１はまた、導電性層１２にはんだ付けされた１つ以上のリードフレームの一部とすることができる端子も備える。上記端子は、ダイの電源端子５０、出力端子５１及び制御端子５２を含む。導電性層のうちの１つにドライバーをはんだ付けし、制御端子に接続することができ、又は、ドライバーとパワーダイとの間の距離を縮小するために、制御するように意図されるパワーダイとともにドライバーをパワーセルに組み込むことができる。
【００６１】
最後に、パワーモジュール１は、好ましくは、基板１０の間、及びパワーセルとモジュールに含まれる他の部品との間の間隙を充填する、誘電体材料６０を更に備える。誘電体材料６０は、ＦＲ−４ガラスエポキシ、パリレン又はシリコーンとすることができる。好ましくは、誘電体材料は、放熱を強化する一方で、基板１０の間の電気絶縁も増大させるために、少なくとも１Ｗ／（ｍ．Ｋ）を超える熱伝導率を有する。
【００６２】
ここで、図４を参照して、上述したパワーモジュール１の製造方法について説明する。
【００６３】
本方法は、電気絶縁、熱伝導性材料の層１１と、導電性材料のパターニング層１２とを有する、２枚の基板１０を準備する第１のステップ１００を含む。パターニングは、フライス加工又はエッチングによって行われる。実施形態では、コンデンサー等の少なくとも１つの受動部品を、例えば、はんだ付けによって、基板のうちの一方に取り付けることができる。受動部品の実装は、ステップ２００が実施された後にも行うことができる。
【００６４】
第２のステップ２００の間、上記説明による複数の予めパッケージ化されたパワーセル２０が、基板１０の各パターニング層１２がパワーセルの外層２３に面しているように、かつ、パターニング層のコンタクトパッドが外層２３のコンタクトパッドと一致するように、基板の間に位置決めされる。
【００６５】
予めパッケージ化されたパワーセルの（外層のコンタクトパッドによって形成された）外部コンタクトパッドがパワーダイの電気接点より大きいため、このステップは、基板の上に直接パワーダイを位置決めするより実施が容易である。
【００６６】
好ましくは、ステップ２００の前に、外層２３及び基板のパターニング層１２のうちの少なくとも一方のコンタクトパッドに、接合材料３０が塗布される。好ましくは、外層及びパターニング層１２の両方のコンタクトパッドに接合材料が塗布される。接合材料は、はんだペースト又は焼結ペースト又は導電性ペーストとすることができる。スクリーン印刷又はノズル堆積によって接合材料を塗布することができる。
【００６７】
次いで、本方法は、基板を予めパッケージ化されたパワーセル２０に接合するステップ３００を含む。焼結の場合、２枚の基板は熱によって互いに押し付けることができる。２枚の基板の間の距離は、予めパッケージ化されたセルによって確保されるため、基板に対する傾いた又は不均衡な圧力のリスクはない。
【００６８】
はんだ付けの場合、予めパッケージ化されたパワーセルの各コンタクトパッドに対する基板の位置は、はんだペーストの相変化によってもたらされる表面張力によって損なわれる可能性がある。この場合、追加のドエルピン（図示せず）を使用して、基板及びパワーセルのアセンブリを適所に維持することができる。
【００６９】
モジュール端子のうちの少なくともいくつかを提供するために、少なくとも１つの端子を支持するリードフレームもまた、はんだ付け又は焼結により基板のうちの少なくとも一方に取り付けることができる。このリードフレームの接合もまた、予めパッケージ化されたパワーセルの基板との接合の前に実施することができる。
【００７０】
任意選択的に、ステップ４００の間、基板の間の放熱及び電気絶縁を強化するために、基板の間及び部品（パワーセル及び／又は受動部品）の間の残りの間隙を、誘電体の充填材料を挿入することによって充填することができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年7月15日(2020.7.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の平面基板及び第２の平面基板であって、前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板のそれぞれは、熱伝導性材料の層と導電性材料のパターニング層とを備える、第１の平面基板及び第２の平面基板と、
前記第１の平面基板と前記第２の平面基板との間に位置決めされた複数の予めパッケージ化されたパワーセルであって、各前記パワーセルは、
電気絶縁コアと、
前記電気絶縁コア内に埋め込まれた少なくとも１つのパワーダイであって、前記パワーダイは前記第１の平面基板の側および前記第２の平面基板の側の両側に電気接点を有する、パワーダイと、
前記電気絶縁コアの前記第１の平面基板の側および前記第２の平面基板の側の両面のそれぞれに設けられた導電性材料の外層であって、前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板の導電性材料のパターニング層にそれぞれ接続されている外層と、
を備える、予めパッケージ化されたパワーセルと、
を備え、
各前記パワーセルの導電性材料の各前記外層は、各前記パワーセルの前記電気絶縁コア内に配置された接続部を通して前記パワーダイの各前記電気接点に接続されたコンタクトパッドを備え、各前記外層のコンタクトパッドの表面積は、各前記外層のコンタクトパッドが接続されている前記パワーダイの各前記電気接点の表面積より広い、パワーモジュール。
【請求項２】
各前記パワーセルは、前記電気絶縁コア内に埋め込まれた導電性材料である２つの内層を更に備え、
各前記内層は、前記パワーダイと各前記外層との間にそれぞれ位置決めされ、
各前記外層の厚さは各前記内層の厚さより大きく、
各前記外層のコンタクトパッドと前記パワーダイの各前記電気接点との間のそれぞれの前記接続部は、各前記外層のコンタクトパッドと各前記内層のコンタクトパッドとの間の第１の接続部と、各前記内層のコンタクトパッドと前記パワーダイの各前記電気接点との間の第２の接続部とを含む、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
導電性材料の各前記内層のコンタクトパッドの表面積は、各前記内層のコンタクトパッドが接続されている前記パワーダイの各前記電気接点の表面積より広い、請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
各前記パワーセルの各前記外層と各前記内層との間の各前記第１の接続部、および各内層と前記パワーダイの各前記電気接点との間の各前記第２の接続部は、前記電気絶縁コア内に配置された貫通ビアである、請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
各前記パワーセルの各前記外層と前記第１の平面基板及び第２の平面基板の各前記パターニング層とのそれぞれの間に、導電性かつ熱伝導性の接合材料の層を更に備え、前記接合材料は、はんだ、焼結、および導電性ペーストからなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記第１の平面基板と第２の平面基板との間、及び前記第１の平面基板又は第２の平面基板と各前記パワーセルとの間の空間を充填する誘電体材料を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
異なるパワーセル内に組み込まれた少なくとも２つのパワーダイは、それぞれの前記パワーダイの前記電気接点の間の最大距離として測定される、異なる厚さを有し、前記異なるパワーセルは、導電性材料のそれぞれの２つの外層の間で測定される、等しい厚さを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板は、直接接合銅基板、絶縁金属基板又は活性金属ろう付け基板である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板のうちの少なくとも一方の導電性材料の前記パターニング層の上に、実装された少なくとも１つの受動部品を更に備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
前記第１の平面基板及び前記第２の平面基板は、前記パワーダイの電源端子、出力端子及び制御端子を更に備え、前記電源端子、前記出力端子及び前記制御端子の少なくとも１つは、導電性材料の前記パターニング層に電気的に接続されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
２枚の基板を準備するステップであって、各前記基板は、熱伝導性材料の層とコンタクトパッドを有する導電性材料のパターニング層とを備える、準備するステップと、
前記２枚の基板の間に予めパッケージ化されたパワーセルを配置するステップであって、前記予めパッケージ化されたパワーセルはパワーダイを備え、前記パワーダイは、電気絶縁コア内に埋め込まれ、コンタクトパッドを有する導電性材料の外層に接続され、前記予めパッケージ化されたパワーセルの前記外層の前記コンタクトパッドは、各前記基板の各前記パターニング層の各前記コンタクトパッドと一致し、
前記パワーセルの導電性材料の前記外層の上に、又は導電性材料の各前記パターニング層の上に、接合材料が存在する、配置するステップと、
各前記基板及び前記予めパッケージ化されたパワーセルを合わせて接合するステップと、
を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のパワーモジュールを製造する方法。
【請求項１２】
各前記基板の間及び各前記予めパッケージ化されたパワーセルの間の残りの空間を誘電体材料によって充填するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記接合するステップの前に、各前記基板の導電性材料の各前記パターニング層のうちの少なくとも１つの上に少なくとも１つの受動部品を実装するステップを更に含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記接合材料は、スクリーン印刷又はノズル堆積によって塗布される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
複数の前記予めパッケージ化されたパワーセルの全てが同じ厚さを有するように、各前記予めパッケージ化されたパワーセルを製造する予備ステップを更に含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
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