JP6742418B2 - パワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法 - Google Patents

パワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、概して、パワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法に関するものである。
電力応用においては、とりわけ、ワイドバンドギャップデバイスを使用した電力応用においては、パッケージング技術及び組立技術に起因する寄生要素を低減することが重要であり、これにより、高速スイッチングに基づくスイッチング損失を低減させるとともに、電磁放射を低減させ、そして、パワーモジュール同士の並列接続の場合に、より良好な電流分布を得ることができる。
上記の目的のために、本発明は、少なくとも１つのパワーダイを備えたパワーモジュールに関するものであって、少なくとも１つのパワーダイは、多層構造内に埋設され、多層構造は、少なくとも２つのサブモジュールのアセンブリであり、各サブモジュールは、絶縁層及び導電層から形成され、パワーモジュールは、多層構造内に埋設された少なくとも１つのパワーダイに対しての電力供給を遮断するために多層構造内に埋設された少なくとも１つのキャパシタと、少なくとも１つのパワーダイに対しての少なくとも１つのドライバ回路であって、多層構造の表面上に配置された又は多層構造内に完全に若しくは部分的に埋設された、少なくとも１つの駆動回路とを更に備えていることを特徴としている。
よって、本発明は、パワーモジュールの電力密度を増大させるとともに、寄生要素を低減させ、これにより、電力損失を低減させるとともに、電磁放射を低減させる。
格別の特徴点によれば、パワーモジュールは、多層構造内に埋設されたインダクタを更に備えている。
格別の特徴点によれば、パワーモジュールは、多層構造内に埋設され、多層構造の表面上に配置され、又は多層構造の表面上に成型された磁性材料を更に備えている。
よって、パワーモジュールは、コンパクトであるとともに、より小さな許容誤差を有している。
格別の特徴点によれば、多層構造のうちの、少なくとも１つのパワーダイを収容している部分だけが、液体冷却システムによって冷却されている。
格別の特徴点によれば、少なくとも１つのパワーダイに対して設けられた電力供給手段は、液体冷却されたバスバーによって設けられている。
よって、多機能的なバスバーにより、パワーモジュールのサイズ及びコストを低減することができる。
また、本発明は、少なくとも１つのパワーダイを備えたパワーモジュールを製造する方法に関するものであって、この方法は、
−各サブモジュールが絶縁層及び導電層から形成された複数のサブモジュールを準備するステップと、
−熱伝導性かつ導電性の材料を使用してサブモジュール同士を組み立てることによって、多層構造を形成するステップと、
−多層構造内に少なくとも１つのパワーダイを埋設するステップと、
−多層構造内に、少なくとも１つのパワーダイに対しての電力供給手段を遮断するための少なくとも１つのキャパシタを埋設するステップと、
−少なくとも１つのパワーダイに対しての少なくとも１つの駆動回路を、多層構造の表面上に取り付けるステップと、
を含むことを特徴としている。
よって、本発明は、パワーモジュールの電力密度を増大させるとともに、寄生要素を低減させ、これにより、電力損失を低減させるとともに、電磁放射を低減させる。
格別の特徴点によれば、サブモジュールの各々は、
−ベース層内に、パワーダイのサイズに応じた少なくとも１つのキャビティを形成するステップと、
−１つのキャビティ内に上記又は各パワーダイを配置するステップと、
−ベース層上に、絶縁層及び導電層を積層するステップと、
−穿孔及び金属化を行うことによって、少なくとも１つのパワーダイを、導電層に対して接続するステップと、
−導電層をエッチングすることによって、レイアウトを形成するステップと、
−ベース層の両面上へと、追加的な薄い絶縁層及び追加的な厚い導電層を少なくとも一度積層するステップと、
−穿孔及び金属化を行うことによって、導電層と厚い導電層とを接続するステップと、
−ビアを形成するステップと、
を、この記載順に行うことによって準備される。
よって、モジュール内において接続されたパワーダイは、パッケージングに基づき、小さな寄生インダクタンスしか有していない。
格別の特徴点によれば、サブモジュール同士の組立後に、そのように組み立てられたサブモジュール同士に形成された孔内に、少なくとも１つのキャパシタが配置される。
よって、キャパシタは、スイッチング用パワーデバイスに対して、できる限り近傍に配置される。これにより、スイッチングループを低減させることができ、このため、ループインダクタンスを低減させることができる。
格別の特徴点によれば、少なくとも１つのキャパシタが、サブモジュール同士の組立後に、最上段のサブモジュールの最上層と、最下段のサブモジュールの最下層との間に、電気的に接続される。
よって、キャパシタは、スイッチング用パワーステージのバスキャパシタとして使用される。
本発明の様々な特徴点は、実施形態の一例に関する以下の説明を読むことによって、より明瞭となるであろう。以下の説明は、添付図面を参照して行われる。
本発明によるパワーモジュールの電気回路の一例を示す図である。 本発明によるパワーモジュールが、液体冷却されたバスバーによって冷却されている様子を示す図である。 本発明によるパワーモジュールを製造する方法を示す図である。 本発明によるパワーモジュールを製造する際の或るステージを示す図である。 本発明によるパワーモジュールを製造する際の他のステージを示す図である。 本発明によるパワーモジュールを製造する際の更に他のステージを示す図である。 本発明によるパワーモジュールを製造する際の更なるステージを示す図である。 本発明によるパワーモジュールを製造する際の次なるステージを示す図である。 本発明によるパワーモジュールを製造する際の更に次なるステージを示す図である。 本発明によるパワーモジュールの様々な領域を示す図である。
図１は、本発明によるパワーモジュールの電気回路の一例を示す図である。
各々のパワーモジュールは、ゲートドライバ１５を備えており、ゲートドライバ１５は、パワーダイＤ１及びＤ２に対してゲート信号を供給している。
パワーダイＤ１のドレインは、正電源ＤＣ＋に対して接続されており、正電源ＤＣ＋は、例えば、液体冷却されたバスバーによって提供されている。パワーダイＤ１のソースは、パワーダイＤ２のドレインに対して、及び、インダクタＬ１の第１の端子に対して、接続されている。
パワーダイＤ２のソースは、負電源ＤＣ−に対して接続されており、負電源ＤＣ−は、例えば、液体冷却されたバスバーによって提供されている。
インダクタＬ１の第２の端子は、パワーモジュールの出力である。
図２は、本発明によるパワーモジュールを示す図であり、本発明によるパワーモジュールは、液体冷却されたバスバーによって冷却されている。
パワーモジュールは、複数のサブモジュールのアセンブリであり、例えば２つのサブモジュールのアセンブリであり、複数のサブモジュールは、複数のＰＣＢといったような多層構造を有している。各サブモジュールは、例えばＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等といったような少なくとも１つの埋込型半導体パワーダイを有している。以下においては、パワーモジュールアセンブリについて、図３及び図４Ａ〜図４Ｆを参照して、より詳細に開示する。
パワーモジュールのパワーステージを形成している複数のパワーダイのごく近傍には、バスキャパシタとして複数のキャパシタが、埋設されており、これらのキャパシタは、パワーモジュールのサブモジュールを構成している多層構造内に埋設されている。これにより、バス電圧を平滑化することができる。
各キャパシタは、最上段のサブモジュールの最上層と、最下段のサブモジュールの最下層との間に接続されている。各キャパシタは、複数のサブモジュール同士の組立の後に、電気的に接続される。各キャパシタは、穿孔によって形成された鉛直方向孔内に配置され、半田付けによって接続される。
複数のパワーダイを有した部分は、液体冷却されたバスバーによって冷却することができ、そのようなバスバーは、２つのバー２０ａ及び２０ｂから構成される。バー２０ａは、パワーモジュールのダイに対して負のＤＣ電力を供給するために使用され、バー２０ｂは、パワーモジュールのダイに対して正のＤＣ電力を供給するために使用される。
図２の例においては、各バー２０ａ及び２０ｂは、熱交換を増強させるよう５個のサブチャネルへと分岐されている１つのチャネルを有している。
バー２０ａのうちの、符号２３ａで示されたチャネルは、図２に示すように、バー２０ｂのうちの、他方のチャネルとしてのチャネル２３ｂに対して、接続されている。
多層構造の中には、符号２５で示すような制御用集積回路、インダクタ、変圧器、センサ、追加的なキャパシタ、又は符号２６で示すような抵抗器といったような追加的な素子を、更に埋設することができる。
また、多層構造内に埋設されるものとして、又は、多層構造の外表面上に取り付けられるものとして、半田付け等によって追加的な素子を付設することができ、これにより、パワーモジュールに対して追加的な機能又は補足的な機能を持たせることができる。多層構造のうちの、パワーダイよりも上方に位置する表面及びパワーダイよりも下方に位置する表面は、最終仕上げされた銅から又は最終仕上げされていない銅から、形成されている。これにより、複数のパワーモジュール同士のバス接続を可能とすることができる。
図３は、本発明によるパワーモジュールを製造する方法である。
パワーモジュールは、２つのサブモジュールから構成されており、２つのサブモジュールは、複数のＰＣＢといったような多層構造を有している。図４Ａ〜図４Ｆの様々なステップは、複数のサブモジュールの中の１つのサブモジュールの製造に関する様々なステージを示している。
ステップＳ３０においては、ベース層が、例えばレーザーカットによってカットされ、これにより、パワーダイのサイズに応じたキャビティが形成される。その後、そのキャビティ内に、パワーダイが配置される。そのようにして形成されたベース層の一例が、図４Ａに与えられている。
図４Ａ〜図４Ｆは、本発明によるパワーモジュールの製造に関する様々なステージを示している。
図４Ａは、ベース層４００を示しており、このベース層４００は、電気的に非伝導性の材料、なおかつ、熱伝導性の材料である。例えば、ベース層４００は、ＦＲ４から形成されている。ベース層４００は、例えばレーザーカットによってカットされ、これにより、パワーダイ４０１のサイズに見合ったキャビティが形成される。その後、パワーダイ４０１が、そのキャビティ内に配置される。ベース層は、銅のような金属等の少なくとも１つの大きな熱伝導層４０２によって隔離された２つ又はいくつかの層へと分割することができる。これにより、熱放散性を増強することができる。
ステップＳ３１においては、ステップＳ３０において形成されたベース層上に、絶縁層及び導電層が積層される。一例が図４Ｂに与えられている。
図４Ｂは、ベース層４００及びパワーダイ４０１を示しており、ベース層４００の上面上には、薄い絶縁層４０３が積層され、ベース層４００の底面には、薄い絶縁層４０６が積層されている。また、例えば銅から形成された導電層４０４及び４０５が、それぞれ対応する薄い絶縁層４０３及び４０６上に積層されている。絶縁層及び導電層は、単一ステップでもって互いに積層される。
ここで、他のサブモジュールに対して同じ操作が行われることに注意されたい。
その後、ステップＳ３２においては、レーザー穿孔及び金属化が行われ、これにより、パワーダイ４０１を、導電層に対して接続することができる。一例が図４Ｃに与えられている。
その後、レーザー穿孔及び金属化４０７、４０９及び４１０が行われることにより、パワーダイ４０１を導電層に対して接続することができる。導電層に対してのパワーダイのコンタクトは、複数のビア接続又は他の形状の接続を用いることによって、パワーダイの上面及び底面を完全に被覆することができ、又は、部分的に被覆することができる。
ステップＳ３３においては、貫通ビアが機械的に穿孔され、更なる金属化が行われる。これにより、レイアウトに基づき、様々なスポットのところにおいて、様々な導電層同士を接続することができる。
ステップＳ３４においては、例えば化学的なプロセス又は機械的なプロセスによって、導電層がエッチングされる。これにより、薄い導電層上において、例えば符号４０８で示すものといったような所望のレイアウトを得ることができる。
ステップＳ３５において、導電層の数が所定数に達していないのであれば、プロセスは、ステップＳ３１へと戻ることとなる。そうでなければ、プロセスは、ステップＳ３６へと進むこととなる。
図４Ａ〜図４Ｆは、２つだけの導電層が必要とされている例である。この例によれば、プロセスは、ステップＳ３１へと戻り、ステップＳ３１〜Ｓ３４を一度だけ再度実行する。
両面上へと、追加的な薄い絶縁層及び追加的な厚い導電層が積層される。一例が図４Ｄに与えられている。
追加的な薄い絶縁層４１１及び４１２並びに追加的な厚い導電層４１３及び４１４は、ステップＳ３４において得られたようなサブモジュールの両面上に積層される。
その後、レーザー穿孔及び金属化が行われる。これにより、薄い導電層と厚い導電層とを接続することができる。一例が図４Ｅに与えられている。
その後、レーザー穿孔４１５及び金属化４１６が行われる。これにより、薄い導電層４０４及び４０５と厚い導電層４１３及び４１４とを接続することができる。接続は、複数のビア接続によって、又は、金属化された銅製スクエアといったような他の形状のものによって、行うことができる。層４１３及び４１４上に所望のレイアウトを得るために導電層がエッチングされるとともに、複数のビアが形成される。一例が図４Ｆに与えられている。
貫通ビア４１７は、穿孔によって形成され、その後、金属化が行われる。また、基板機械加工又は穿孔を行うことにより、キャパシタ４１８及び磁性材料を配置することができる。
導電層４１３及び４１３が非常に厚いといういくつかの特定の場合には、それらの導電層を、積層前に予めエッチングし得ることに注意されたい。
ステップＳ３６においては、機械加工及び穿孔が行われ、これにより、最終用途に適合した任意の機械的特徴物のための任意の所望の形状又は穿孔を、モジュール上において得ることができる。また、機械加工及び穿孔を行うことによって、キャパシタ、インダクタ等のための磁性材料といったような追加的な素子上へとその後に取り付けることができる。
その後、ステップＳ３７においては、熱伝導性かつ導電性の材料を使用して、２つのサブモジュールを組み立て、これにより、多層構造を形成することができる。
ステップＳ３８においては、外部素子の半田付け、取り付け、及び磁性材料の成型が行われる。
パワーモジュールのパワーステージを形成しているパワーダイのごく近傍には、複数のキャパシタが、バスキャパシタとして、パワーモジュールの２つのサブモジュール内に埋設され、これにより、バス電圧を平滑化することができる。
各キャパシタは、最上段のサブモジュールの最上層と、最下段のサブモジュールの最下層との間に接続される。各キャパシタは、サブモジュール同士の組立後に、電気的に接続される。各キャパシタは、鉛直方向孔内に配置され、半田付けによって接続される。
また、組み立てられたサブモジュール内に埋設されるものとして、又は、組み立てられたサブモジュールの外表面上に取り付けられるものとして、制御用集積回路、インダクタ、変圧器、センサ、磁性材料、追加的なキャパシタ、又は抵抗器といったような追加的な素子を、多層構造の表面上へと、半田付け等によって付設することができる。これにより、パワーモジュールに対して追加的な機能又は補足的な機能を持たせることができる。図５は、本発明によるパワーモジュールの様々な領域を示している。
本発明によるパワーモジュールは、複数の領域へと区分される。
符号５０で示す領域においては、パワーダイのゲートドライバが配置されている。
符号５１で示す領域においては、デカップリングキャパシタ又はバスキャパシタと、パワーダイと、が配置されており、符号５３で示す領域においては、外部インダクタが配置されている。
当然のことながら、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して、多数の修正を行うことができる。

Claims (7)

  1. パワーモジュールの電気回路を構成するそれぞれの部品配置に応じた複数の領域へと区分されたパワーモジュールであって、
    前記パワーモジュールは、少なくとも１つのパワーダイを備え、
    前記少なくとも１つのパワーダイは、多層構造内に埋設され、
    前記多層構造は、少なくとも２つのサブモジュールを熱伝導性かつ導電性の材料を使用して組み立てることで形成され、
    各サブモジュールは、絶縁層及び導電層から形成され、
    前記パワーモジュールは、
    前記多層構造内に埋設された前記少なくとも１つのパワーダイに対しての電力供給をデカップリングするために前記多層構造内に埋設された少なくとも１つのキャパシタと、
    前記少なくとも１つのパワーダイに対しての少なくとも１つの駆動回路であって、前記多層構造の表面上に配置された又は前記多層構造内に完全に若しくは部分的に埋設された、少なくとも１つの駆動回路と、
    を更に備え、
    前記多層構造のうちの、前記少なくとも１つのパワーダイを収容している部分だけが、液体冷却されたバスバーによって冷却され、
    前記少なくとも１つのパワーダイに対して、前記液体冷却されたバスバーにより電力が供給され、
    前記バスバーは、前記少なくとも１つのパワーダイに対して負のＤＣ電力を供給するために使用される第１のバーと、前記少なくとも１つのパワーダイに対して正のＤＣ電力を供給するために使用される第２のバーとで構成され、
    前記少なくとも１つのパワーダイを収容している前記部分は、前記第１のバーおよび前記第２のバーの両方により冷却される
    ことを特徴とする、パワーモジュール。
  2. 前記パワーモジュールは、前記多層構造内に埋設されたインダクタを更に備えている
    ことを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記パワーモジュールは、前記多層構造の表面上に配置された又は前記多層構造内に完全に若しくは部分的に埋設された磁性材料を、更に備えている
    ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
  4. パワーモジュールの電気回路を構成するそれぞれの部品配置に応じた複数の領域へと区分された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、少なくとも１つのパワーダイを備え、
    前記方法は、
    各サブモジュールが絶縁層及び導電層から形成された複数のサブモジュールを準備するステップと、
    熱伝導性かつ導電性の材料を使用して前記サブモジュール同士を組み立てることによって、多層構造を形成するステップと、
    前記多層構造内に少なくとも１つのパワーダイを埋設するステップと、
    前記多層構造内に、前記少なくとも１つのパワーダイに対しての電力供給をデカップリングするための少なくとも１つのキャパシタを埋設するステップと、
    前記少なくとも１つのパワーダイに対しての少なくとも１つの駆動回路を、前記多層構造の表面上に取り付けるステップ、又は、前記多層構造内に完全に若しくは部分的に埋設するステップと、
    を含み、
    前記多層構造のうちの、前記少なくとも１つのパワーダイを収容している部分だけが、液体冷却されたバスバーによって冷却され、
    前記少なくとも１つのパワーダイに対して、前記液体冷却されたバスバーにより電力が供給され、
    前記バスバーは、前記少なくとも１つのパワーダイに対して負のＤＣ電力を供給するために使用される第１のバーと、前記少なくとも１つのパワーダイに対して正のＤＣ電力を供給するために使用される第２のバーとで構成され、
    前記少なくとも１つのパワーダイを収容している前記部分は、前記第１のバーおよび前記第２のバーの両方により冷却される
    ことを特徴とする、方法。
  5. 各サブモジュールを、
    ベース層内に、パワーダイのサイズに応じた少なくとも１つのキャビティを形成するステップと、
    １つのキャビティ内に前記又は各パワーダイを配置するステップと、
    前記ベース層上に、絶縁層及び導電層を積層するステップと、
    穿孔及び金属化を行うことによって、前記少なくとも１つのパワーダイを、前記導電層に対して接続するステップと、
    前記導電層をエッチングすることによって、レイアウトを形成するステップと、
    前記ベース層の両面上へと、追加的な薄い絶縁層及び追加的な厚い導電層を少なくとも一度積層するステップと、
    穿孔及び金属化を行うことによって、前記導電層と前記厚い導電層とを接続するステップと、
    ビアを形成するステップと、
    を、この記載順に行うことによって準備する
    ことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記サブモジュール同士を組み立てることで前記多層構造となったサブモジュール同士に形成された孔内に、前記少なくとも１つのキャパシタを配置する
    ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. 前記サブモジュール同士を組み立てることで前記多層構造となったサブモジュールのうち、最上段のサブモジュールの最上層と、最下段のサブモジュールの最下層との間に、前記少なくとも１つのキャパシタを電気的に接続する
    ことを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
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