特許 6573890 薄型で高度に構成可能な電流共有並列化広バンドギャップ電力デバイス電力モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6573890

(24)【登録日】2019年8月23日

(45)【発行日】2019年9月11日

(54)【発明の名称】薄型で高度に構成可能な電流共有並列化広バンドギャップ電力デバイス電力モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20190902BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20190902BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

【請求項の数】17

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-543201(P2016-543201)

(86)(22)【出願日】2015年1月30日

(65)【公表番号】特表2017-504968(P2017-504968A)

(43)【公表日】2017年2月9日

(86)【国際出願番号】US2015013755

(87)【国際公開番号】WO2015116924

(87)【国際公開日】20150806

【審査請求日】2017年9月1日

(31)【優先権主張番号】61/933,535

(32)【優先日】2014年1月30日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】516189198

【氏名又は名称】クリー ファイエットヴィル インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162824

【弁理士】

【氏名又は名称】石崎 亮

(72)【発明者】

【氏名】マクファソン ブライス

(72)【発明者】

【氏名】キリーン ピーター

(72)【発明者】

【氏名】ロステッター アレックス

(72)【発明者】

【氏名】ショー ロバート

(72)【発明者】

【氏名】パスモア ブランドン

(72)【発明者】

【氏名】ホーンバーガー ジャレド

(72)【発明者】

【氏名】ベリー トニー

【審査官】 木下 直哉

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第０２／０８２５４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０９３０３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３４９３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２５６４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０７４４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１１０７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２０２５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８０９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５１８８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１４６２１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／１４５６１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−１８５６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２８１４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２１５９０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０００１４８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５４５９６５５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０１０２５０６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５０３８１９７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５５０８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２５／００−２５／１８

Ｈ０１Ｌ ２３／４８−２３／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力モジュール装置であって、
底板と、
前記底板の上方に位置決めされ、トポロジーパターンを定める電力基板と、
各々が前記電力基板に電気的に接続された少なくとも３つの電力接点と、
前記少なくとも３つの電力接点のうちの少なくとも２つに電気的に接続された少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイスと、
前記電力基板の上方に装着されたゲート及びソースケルビン基板であって、該ゲート及びソースケルビン基板が第１の相互接続チャネル及び第２の相互接続チャネルを含む基板を有し、この基板の上に前記第１の相互接続チャネル及び前記第２の相互接続チャネルが配置され、前記第１の相互接続チャネル及び前記第２の相互接続チャネルの上の複数のゲート結合パッドのそれぞれが前記並列共有電流路電力デバイスの１つに接続するよう構成され、各相互接続チャネルが位置群の相互接続位置に装着されるように該ゲート及びソースケルビン基板が構成され、該位置群が第１の相互接続位置、第２の相互接続位置、第３の相互接続位置及び第４の相互接続位置から構成される、前記ゲート及びソースケルビン基板と、
前記ゲート及びソースケルビン基板に電気的に接続されたゲート駆動コネクタと、
前記底板に固定されたハウジングであって、前記ゲート駆動コネクタ及び前記少なくとも３つの電力接点が該ハウジングを通って延び、該ハウジングがファスナ開口を定める、前記ハウジングと、
前記ファスナ開口に位置決めされたファスナと、
を含み、
前記少なくとも３つの電力接点は、前記電力基板に接続され、前記ハウジングを通って前記電力基板から延び、更に前記ファスナを前記ファスナ開口に保持するために該ファスナ開口上で曲げられ、
前記電力基板は、少なくとも３つの別々の金属層部分を有し、
前記少なくとも３つの電力接点のそれぞれは、前記電力基板に平行に延び、且つ前記電力基板の前記少なくとも３つの別々の金属層部分における異なる１つに接続する部分を含む、
ことを特徴とする装置。

【請求項2】

前記トポロジーパターンがハーフブリッジ基板を形成するように、前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイス及び前記電力基板が当該トポロジーパターンを実行するよう構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記電力モジュールは、前記第１の相互接続位置、前記第２の相互接続位置、前記第３の相互接続位置及び前記第４の相互接続位置から構成される前記位置群から選択された前記相互接続位置を実行する前記ゲート及びソースケルビン基板を受け入れるよう構成され、
前記第１の相互接続チャネルは、前記第１の相互接続位置に装着され、
前記第２の相互接続チャネルは、前記第３の相互接続位置に装着される、
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記トポロジーパターンが共通ソース基板を形成するように、前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイス及び前記電力基板が当該トポロジーパターンを実行するよう構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記電力モジュールは、前記第１の相互接続位置、前記第２の相互接続位置、前記第３の相互接続位置及び前記第４の相互接続位置から構成される前記位置群から選択された前記相互接続位置を実行する前記ゲート及びソースケルビン基板を受け入れるよう構成され、
前記第１の相互接続チャネルは、前記第１の相互接続位置に装着され、
前記第２の相互接続チャネルは、前記第４の相互接続位置に装着される、
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記トポロジーパターンが共通ドレイン基板を形成するように、前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイス及び前記電力基板が当該トポロジーパターンを実行するよう構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記電力モジュールは、前記第１の相互接続位置、前記第２の相互接続位置、前記第３の相互接続位置及び前記第４の相互接続位置から構成される前記位置群から選択された前記相互接続位置を実行する前記ゲート及びソースケルビン基板を受け入れるよう構成され、
前記第１の相互接続チャネルは、前記第２の相互接続位置に装着され、
前記第２の相互接続チャネルは、前記第３の相互接続位置に装着される、
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。

【請求項8】

前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイスは、第１の並列電力デバイス、第２の並列電力デバイス、及び第３の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項9】

前記部分は、半田キャッチを含み、
前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイスは、第４の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記電力基板に平行に延び、且つ前記電力基板に接続する前記部分は、曲げ部分を含み、
前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイスは、第５の並列電力デバイス及び第６の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項９に記載の装置。

【請求項11】

前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイスは、第７の並列電力デバイス及び第８の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイスは、第９の並列電力デバイス及び第１０の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。

【請求項13】

前記少なくとも２つの並列共有電流路電力デバイスは、第１１の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

前記ハウジングは、被膜エントリ及びベントを定める、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項15】

前記ハウジングは、前記少なくとも３つの電力接点のうちの１つを受け入れて曲げるための電力接点ピンチ及び半径構造を定める、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項16】

並列に位置決めされた多重電力ダイと共に使用するためのゲート及びソースケルビン基板装置であって、
基板と、
前記基板上に配置された第１の相互接続チャネルと、
前記基板上に配置された第２の相互接続チャネルと、
を含み、
前記第１の相互接続チャネル及び前記第２の相互接続チャネルは、離間するよう構成及び配置され、また、各々の端部のみにより接続され、
更に、前記装置は、
前記多重電力ダイの第１のセットを並列化し、前記第１の相互接続チャネル上に配置された第１のトラックと、
前記多重電力ダイの第２のセットを並列化し、前記第２の相互接続チャネル上に配置された第２のトラックと、
前記第１の相互接続チャネルの長さに平行に位置決めされ且つ前記第１の相互接続チャネルの長さに沿って配置されると共に、前記第１のトラックと並列に位置決めされた少なくとも２つの第１ゲート結合パッドであって、前記多重電力ダイの前記第１のセットの１つに接続されるように各々が構成されている前記少なくとも２つの第１ゲート結合パッドと、
前記第２の相互接続チャネルの長さに平行に位置決めされ且つ前記第２の相互接続チャネルの長さに沿って配置されると共に、前記第２のトラックと並列に位置決めされた少なくとも２つの第２ゲート結合パッドであって、前記多重電力ダイの前記第２のセットの１つに接続されるように各々が構成されている前記少なくとも２つの第２ゲート結合パッドと、
前記少なくとも２つの第１ゲート結合パッドの各々を前記第１のトラックに選択的に接続する個々の第１安定抵抗器と、
前記少なくとも２つの第２ゲート結合パッドの各々を前記第２のトラックに選択的に接続する個々の第２安定抵抗器と、
を含み、
前記ゲート及びソースケルビン基板装置は、電力モジュールの底板に固定されるように構成され、
前記第１の相互接続チャネル及び前記第２の相互接続チャネルは、前記多重電力ダイへのアクセスを提供するよう構成されたダイ開口を形成するように構成及び配置され、
前記第１のトラックは、ゲートトラックであり、
前記第２のトラックは、ゲートトラックである、
ことを特徴とする装置。

【請求項17】

前記第１の相互接続チャネル及び前記第２の相互接続チャネルは、前記多重電力ダイへのアクセスを提供するよう構成されたダイ開口を形成するように構成及び配置され、
前記第１の相互接続チャネルは、ソーストラックを更に有し、
前記第２の相互接続チャネルは、ソーストラックを更に有する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、広バンドギャップ電力モジュールの改良に関する。より具体的には、本発明は、複数の用途のための構成可能で一貫した電力モジュール設計を提供するのに特に適する改良に関する。特に、本発明は、具体的に高スイッチング周波数での電流共有を可能にする並列経路電力モジュールに関連している。

【背景技術】

【0002】

当業者が認識するように、電力モジュールは、様々な形態で公知である。電力モジュールに関連する情報を有する特許は、「電力モジュール及びそれを製造する方法」という名称の２０１０年３月３０日にＳｏｎ他に付与された米国特許第７，６８７，９０３号明細書、「電力モジュールのための両面パッケージ」という名称の２０１０年８月３１日にＣａｓｅｙ他に付与された米国特許第７，７８６，４８６号明細書、「高電力密度デバイスのためのパッケージ」という名称の２０１１年９月１３日にＨａｕｅｎｓｔｅｉｎに付与された米国特許第８，０１８，０５６号明細書、「高電力デバイスのためのウェーハスケールパッケージ」という名称の２０１３年２月５日にＨａｕｅｎｓｔｅｉｎに付与された米国特許第８，３６８，２１０号明細書、「表面実装半導体パッケージ、ダイ−リードフレーム組合せ、及びそのためのリードフレーム、及び半導体ダイの表面にリードフレームを装着する方法」という名称の２００１年１０月２３日にＷｉｌｌｉａｍｓに付与された米国特許第６，３０７，７５５号明細書を含む。追加の論文は、Ｒ．Ｋ．Ｕｌｒｉｃｈ及びＷ．Ｄ．Ｂｒｏｗｎ著「最新式電子パッケージング」、Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，２００６，ｐ．２０３、及びＳｈｅｎｇｎａｎ Ｌｉ著「新しいスイッチングセルを使用するＩＧＢＴ電力モジュールのパッケージング設計」、Ｐｈ．Ｄ．ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ，２０１１，ｈｔｔｐ：／／ｔｒａｃｅ．ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ．ｅｄｕ／ｕｔｋ＿ｇｒａｄｄｉｓｓ／１２０５を含む。これらの特許及び文献の各々は、これによりその全体が引用によって明示的に組み込まれる。

【0003】

炭化珪素ＳｉＣ及びガリウム窒化物ＧａＮを含む広バンドギャップ電力半導体は、従来のシリコンＳｉベースの電力電子デバイスに勝る以下のものを含む多くの利点を提供する。
１．高温作動を可能にする真性キャリアの低減
２．キャリア移動度の増大
３．より高い絶縁破壊強度
４．オン抵抗の低減
５．より速いスイッチング速度
６．熱伝導性の増加。

【0004】

これらの利益は、設計者が現在の従来技術システムよりも実質的に小さく、効率的であり、信頼できるシステムを実施することを可能にする。より高温の作動は、廃熱を除去するのに必要な冷却システムの低減を可能にする。能動的、すなわち、強制空気又は液体冷却方式から受動的な自然対流冷却への切り換え、熱遮蔽材料の排除、及び従来の技術が役に立たないことになる極限環境における作動に対する可能性も存在する。高周波数スイッチングは、スイッチング損失を低減し、かつ電力変換器におけるフィルタリング要素のサイズの主要な低減を可能にする。

【0005】

しかし、広バンドギャップ電力技術の見込みは、デバイスを相互接続し、保護し、かつ電力変換システムに一体化するのに必要な電力パッケージングによって妨げられる。Ｓｉデバイスのための電力パッケージは、スイッチ位置あたり１つの大きいデバイスを多くの場合に単一逆並列ダイオードと共に収容するように一般的に設計される。しかし、市販の広バンドギャップデバイスは、ウェーハ品質及び収率の問題に起因して大きいモノリシック要素としては利用可能ではない。従って、ＳｉＣに対するダイ面積あたりの相対電力密度は、数百アンペアの高い電流に達するのにＳｉよりも実質的に高いが、多くのＳｉＣデバイスは、並列に置かなければならない。

【0006】

電流共有のような問題に実質的に対処するように設計されていなかった従来のパッケージ内で多くのデバイスを並列接続することには基本的な問題が存在する。これは、多くの場合にＳｉ均等物よりも数百倍速い広バンドギャップデバイスの極端に高いスイッチング速度に起因して特に重要である。デバイス間のインダクタンスの不整合は、スイッチング事象中に不均一な応力及び電流オーバーシュートを引き起こす場合がある。これに加えて、確立された電力モジュール技術の材料、アタッチ、及びインタフェースは、広バンドギャップデバイスが作動可能である温度で機能的でなく又は信頼性がない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許第７，６８７，９０３号明細書

【特許文献2】米国特許第７，７８６，４８６号明細書

【特許文献3】米国特許第８，０１８，０５６号明細書

【特許文献4】米国特許第８，３６８，２１０号明細書

【特許文献5】米国特許第６，３０７，７５５号明細書

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Ｒ．Ｋ．Ｕｌｒｉｃｈ及びＷ．Ｄ．Ｂｒｏｗｎ著「最新式電子パッケージング」、Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，２００６，ｐ．２０３

【非特許文献2】Ｓｈｅｎｇｎａｎ Ｌｉ著「新しいスイッチングセルを使用するＩＧＢＴ電力モジュールのパッケージング設計」、Ｐｈ．Ｄ．ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ，２０１１，ｈｔｔｐ：／／ｔｒａｃｅ．ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ．ｅｄｕ／ｕｔｋ＿ｇｒａｄｄｉｓｓ／１２０５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

このことから、従来技術は、その教示及び利用において非常に限られていることを見ることができ、これらの限界を克服するために電力モジュールの改善が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、並列電力デバイスを使用する電力モジュールの改良に関する。本発明の１つの例示的実施形態により電力モジュールには、多くの並列化デバイスへの低インダクタンス等化電流路が設けられ、均等電流共有及び正確なスイッチング事象を可能にする。電力モジュールは、デバイス、作動条件などに応じて２００〜２５０℃に及ぶ接合温度で稼働することができ、かつ数百アンペア又はそれよりも大きい非常に高い電流を通電することができる。主として、これらの強化は、１性能、２機能、及び３有用性の３つの部類に入る。この技術は、広バンドギャップ電力デバイスの特性及び課題を受け入れるように徹底的に設計されたものである。電力モジュールの特徴は、以下の主要部分含む。
工業規格６２ｍｍ底板との整合フットプリント
裸ダイ電力デバイスの有効な並列化のための等化電力路
スイッチ位置あたり７．５ｍｍ×７１ｍｍのデバイスに利用可能な大きいアクティブ面積
１０ｍｍの低モジュール高さ
広い薄型電力接点で達成される低インダクタンス
５００Ａよりも大量の通電のための短い電流路及び大きい導体断面積
個々の安定抵抗器を有する内部ゲート及びソースケルビン相互接続基板
内部ゲート及びソースケルビン相互接続基板の高信頼性ボルト式接続
標準及び構成可能な１ｍｍ、２ｍｍ、０．１インチ、及び０．０５インチピッチのゲート駆動コネクタ
モジュールの左又は右側のいずれかのゲート駆動コネクタ
内部温度感知ＲＴＤ及び関連の入力／出力コネクタのためのオプション
システム費用を低減するための固有部品点数の低減
モジュール性を増加するための固有部品点数の低減
ハーフブリッジ、フルブリッジ、共通ソース、及び共通ドレイントポロジーとして構成可能
プラスチックハウジングの中に組み込まれた電圧沿面拡張器
低密度材料の使用による全体で１４０ｇ以下の軽量
２５０℃まで作動させることができる材料、アタッチ、及び電圧遮断被膜

【0011】

本発明の上記及び他の目的、並びに利点は、それへの新規な付属物の特徴と共に、本発明の以下の詳細説明を精査することによって現れ、又は明らかになるであろう。

【0012】

本明細書の一部を形成し、かつそれに関連して解釈されることになる以下の図面において、同様の参照番号が、様々な図で同様の部分を示すことができる場合はいつも全体を通じて使用されている。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】電力モジュールの斜視図である。

【図2】電力モジュールの分解組立図である。

【図3】電力モジュールの相対的サイズ対厚み比較を示す図である。

【図4】複数の並列化デバイスの等化電流フローを示す図である。

【図5】電力接点設計を示す図である。

【図6】薄型電力接点曲げを示す図である。

【図7】電力モジュール底板を示す図である。

【図8】ゲート及びソースケルビン２次基板を示す図である。

【図9】ゲート及びソースケルビン基板ハーフブリッジ配置を示す図である。

【図10】ゲート及びソースケルビン基板共通ソース配置を示す図である。

【図11】ゲート及びソースケルビン基板共通ドレイン配置を示す図である。

【図12】単層モジュール式ゲート及びソースケルビン例示的レイアウトを示す図である。

【図13】電力基板ハーフブリッジ配置を示す図である。

【図14】電力基板共通ソース配置を示す図である。

【図15】電力基板共通ドレイン配置を示す図である。

【図16】高温プラスチックハウジング上側特徴を示す図である。

【図17】高温プラスチックハウジング裏側特徴を示す図である。

【図18】電力モジュールアセンブリに対するハウジングアタッチを示す図である。

【図19】電力接点ガイドを示す図である。

【図20】ハーフブリッジ単一チャネル共通ソース又はドレインモジュールを示す図である。

【図21】フルブリッジ二重チャネル共通ソース又はドレインモジュールを示す図である。

【図22】拡張単一ハウジング並置モジュール構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図面の図１に示すように、本発明の１つの例示的実施形態は、一般的に電力モジュール１００として示されている。電力モジュール１００は、ハーフブリッジ、フルブリッジ、共通ソース、及び共通ドレインのような複数の有用な電力電子トポロジー内で構成可能であり、２つまでの別々のチャネル内で構成することができる。それは、提供する必要がある全ての広バンドギャップ技術を利用するのに比類なく適しており、同時にカスタム構成を通して多くの顧客システムの要求を満たすほど十分に柔軟である。

【0015】

電力モジュール１００は、図２に概説した１次要素から構成される。それらは、底板２００、電力基板３００、電力接点４００、電力デバイス５００、ゲート及びソースケルビン相互接続基板６００、ゲート駆動コネクタ７００、射出成形ハウジング８００、及びファスナ９００を含む。

【0016】

電力電子機器業界に共通のフットプリントを使用して、Ｍ６装着孔４８ｍｍ×９３ｍｍ離して６２ｍｍ×１０７ｍｍ底板２００の上に特定のフォーカスを置いた。共通フットプリントを使用することで、既存のシステムの顧客が、全システムの再設計において投資せずにこれらの高性能モジュール１００を評価することを可能にする。

【0017】

モジュール１００の長さ及び幅は、工業規格に適合するが、モジュール高さは、現代のものよりも２×〜３×薄い。それは、全部で１０ｍｍ厚である。これは、モジュールインダクタンスを劇的に減少し、部分的に下側経路長を利用することによって通電機能を増大させる。それはまた、電力変換器におけるシステムレベル容積節約の主要ソースを提供することができる。

【0018】

電力モジュール１００の厚み寸法に対する上部サイズの比較は、平面及び側面図比較で図３に示されている。モジュール１００は、６５ｍｍ×１１０ｍｍ×１０ｍｍを測定する。プラスチックハウジング８００は、電圧隔離のために底板２００の上でシースのように延び、これは、底板２００の寸法にわたって各側面に余分な３ｍｍを考慮に入れる。それは、７１．５ｃｍ３の容積と約１４０ｇの重量を有する。

【0019】

電力モジュール１００は、伝導のために全フットプリント面積の５７．５ｍｍ×７３ｍｍ、４２ｃｍ２を利用する。これは、専ら通電のために６０％利用することで印象的である。残りの面積は、装着５％、ゲート駆動接続５％、及び最小壁厚、電圧沿面拡張器、及び強化リブを含むプラスチック特徴部３０％に使用される。

【0020】

電力ループ
図４によって示すように、電力モジュール１００の電力ループ１１０の駆動フォーカスは、多数のデバイス５００と実質的に並列化されている。示されているのは、第１の電力デバイス５０１、第２の電力デバイス５０２、第３の電力デバイス５０３、第４の電力デバイス５０４、第５の電力デバイス５０５、第６の電力デバイス５０６、第７の電力デバイス５０７、第８の電力デバイス５０８、第９の電力デバイス５０９、第１０の電力デバイス５１０、及び第１１の電力デバイス５１１である。モジュール１００は、後で詳述する構成に応じて２つ又は４つのいずれかのスイッチ位置を有することができる。図４は、上側位置４８０及び下側位置４９０を示している。各スイッチ位置の形成において、それらが高価なモジュール１００修正なしに特定の用途に対して調節されるように、多くの柔軟性がある。例えば、位置は、ソーススイッチ５００に対して同数のダイオードか、僅かに少しのダイオードを有するか、又は全くダイオードがない場合がある。図４は、「Ｖ＋」端子４１０から「中間」端子４２０に移動する電流のために均等な共有電流路１２０を示す電力ループ１１０の表現であり、Ｖ−端子４３０はまた、下側位置４９０においてデバイス５００のために使用するように示されている。このレイアウトの追加の利益は、各デバイス５００の等間隔が、数か所にそれらを集中させる代わりに、モジュール１００にわたって熱源の広がりに役に立つことである。

【0021】

図４に表示したように、電力モジュール１００のほぼ全幅が、電流の伝導に利用される。多くの利益は、モジュール１００が高かった場合に失われると考えられる。最悪の場合に、電流が電力接点４１０、４２０、４３０を通じて移動する長さは、電流が基板３００に達するとその電流が移動する経路よりも長くなると考えられる。従って、電力接点４００は、それらが無視することができる量をシステムの抵抗及びインダクタンスに与えるように高さを低くするように設計される。

【0022】

電力接点４００の高さが低いのは、二重曲げ工程を使用することによって達成される。最初に、電力接点４００は、金属スタンピング作動により又はエッチングに続いてプレスブレーキで形成することによって形成される。基部４５０における９０°曲げは、垂直体４６０を有する「Ｌ」字形コネクタを生成する。基部４５０は、電力基板３００に至るまで半田付けされる。基部４５０は、全体形状と比べて比較的薄い。これは、この結合が消費する面積を縮小し、モジュール１００の内側によりアクティブなデバイス５００の面積を可能にする。この薄い結合の接着を改良するために、半田キャッチ４５４と呼ばれる互い違いに配置された孔が、基部４５０の底部の接着面４５２に沿ってエッチング又は形成される。溶融半田は、毛管作用によりキャッチ４５４に移動する。半田付けされる時に、キャッチ４５４の内側の半田は、多くの方向の接着強度を実質的に改善する。半田キャッチ４５４を有する例示的接点４００は、図５に示されている。

【0023】

図５に同じく示されているのは、製造工程の終わりの２回目に「Ｌ」字形接点４００を曲げて接点上部４７０を形成する方法である。曲げる前に、接点４００の垂直体４６０は、刻み目が存在しないので、一体成形プラスチックハウジング８００を所定位置に下ろすことを可能にする。第２の曲げ４７２の半径は、第１の曲げ４６２ほど急ではない。これは、工程で一部の許容誤差を与えるものであり、より滑らかな曲げ作動になる。第２の半径４７２は、プラスチックハウジング８００において事前形成された半径８１０により容易になり、これは、このステージにおいて、接点４００の前縁４６４に触れている。具体的に設計された回転曲げハードウエアは、反対面４６６を水平に圧迫し、キャプティブファスナ９００の上で接点４００を折り曲げる。「Ｌ」字形接点を曲げて「Ｃ」字形の形態にする例示は、図６に描かれている。

【0024】

折り畳まれた接点４００の下には、ナット９００として示した薄型のネジ付きファスナ９００がある。これらのファスナ９００は、電力接点４００の下で捕捉される。そうでなければ、それらは緩む。キャプティブファスナ９００は、重要な目的に適するものである。モジュール１００がバスバーにボルトで締められる時に、緩いファスナ９００及び接点４００は、引き上げられてブッシングの中に入り、質のよい電気接続をもたらす。ファスナ９００がハウジング８００に固定された場合に、それらは、ブッシングを引き落としてモジュール１００の中に入れるように作用し、バスバーの剛性により接続不良をもたらす可能性がある。

【0025】

底板２００は、モジュールの重要な要素であり、機械的支持体、熱拡散、及びヒートシンク又は冷却板に至るまで実質的にボルトで締める手段を提供する。底板２００の材料特性は、作動温度が上昇する時に益々重要になる。有効な実施例は、アセンブリ中の材料が熱により異なる速度で膨張する熱膨張係数ＣＴＥに見出され、これらのインタフェースにおいて大きい応力を生成することができる。

【0026】

電力モジュール１００は、高導電性金属、銅、アルミニウムなどの複合材である金属マトリックス複合材ＭＭＣ材料と、モリブデン、ベリリウム、タングステンのような低ＣＴＥ金属、又は炭化珪素、酸化ベリリウム、グラファイトのような非金属のいずれかを利用する。これらの複合材料は、各寄与要素の最良の特徴を組合せ、それを取りつける電力基板３００と一致するＣＴＥを有する高熱伝導性を可能にする。

【0027】

図７は、電力モジュール１００の底板２００が工業規格６２ｍｍの形状に一致するように設計された方法を示し、これは、コーナに装着孔２０３のために決まった直径及び位置を有する。プレート２００の厚みは、ＣＡＤモデルのパラメータ有限要素解析の使用により微調節される。これは、定められた実用限界の間で厚みを掃引し、熱及び機械的反応を測定することによって達成される。最小の機械的偏向で最良の熱性能を達成した材料及び厚みの組合せが選択される。電力モジュール１００のプレートの追加の特徴は、ＭＭＣ材料に応じて、機械加工又は成形されたネジ付き基板孔２１２を有するスタンドオフ２１０、及びハウジング孔２９０各々を含む。スタンドオフ２１０は、内部ゲート及びソースケルビン基板６００を湾曲することなくボルトで締めることができるように、平面に電力基板３００を含む。

【0028】

ゲート駆動ループ
各スイッチ位置に対する独立した電気路は、ソーススイッチを制御するのに必要なゲート及びソースケルビン接続部を形成するのに必要である。これは、理想的には、ゲート及びソースケルビン経路指定が、広い等化電力路に干渉しないので、並列状態のデバイス５００の数によって困難になる。図８は、電力モジュール１００及びその変形が、電力基板３００の上に置かれ、次に、底板２００に至るまでボルトで締められた一体成形の２次基板６００を含む方法を示している。

【0029】

図８〜１１に示すように、ゲート及びソースケルビン基板６００は、上部又は第１の６１１、上側中間又は第２の６１２、下側中間又は第３の６１３、及び底部又は第４の６１４の４つの位置のうちの１つに位置することができる２つの相互接続チャネル６０２、６０４を有し、外部ダイ開口又は中間ダイ開口６０５のようなダイ開口を定めて、多くのモジュール１００構成を可能にする。本質的には、各相互接続チャネル６０２、６０４の相対的レイアウトは同じであるが、位置及び方向は、関連のダイ開口６０３、６０５及びダイ５００配置及び回転に一致して各トポロジーに一致するようになっている。これは、それぞれハーフブリッジ、共通ソース、及び共通ドレイントポロジーのゲート方向を示す矢印で図９、図１０、及び図１１に示されている。これらの各々は、電力基板３００のレイアウト及び電力接点４００及びハウジング８００のフォーマットに応じて単一又は二重チャネル配置から構成される場合がある。

【0030】

図１２に示すように、並列化を助けるために、個々の安定抵抗器６４０は、相互接続基板６００上に含めることができる。これらの基板は、並列面、クロックツリー分布などを利用することができる、多くの異なるレイアウトが存在するが、より有効なものうちの１つは、多くの接着位置６４２を有する低費用単層モジュール式配置である。図示のように、ゲートトラック６５０及びソーストラック６５２は、相互接続チャネル６５４の長さまで達する。ソースワイヤ結合は、ソーストラック６５２上に直接に形成される。各ゲートは、レジスタ６４０を通じてゲートトラックに接続された個々のゲートパッド６５１に接着される。レジスタ６４０の値は、デバイス及びアプリケーション依存であり、モジュール１００構成によって異なることになる。

【0031】

電力基板
図１３は、この場合も、基板６００と一致するようにゲート方向を示す矢印で非常に高い電流及び電圧を処理するように設計された金属−セラミック−金属層状構造である電力基板３００を示している。金属は、様々な厚みの銅又はアルミニウムとすることができるが、セラミック材料は、典型的には、アルミナＡｌ２０１３、アルミナ窒化物ＡｌＮ、又はシリコン窒化物Ｓｉ３Ｎ４である。ハーフブリッジ基板３３０に対して図１３、共通ソース基板３４０に対して図１４、及び各構成に対して上側及び下側ダイ５００の位置を示す共通ドレイン基板３５０に対して図１５に示すように、金属層３０２をエッチングしてトポロジー特定のパターン３３０、３４０、３５０にする。これらのレイアウトの各々は、基板３００の中心の下のラインをエッチングすることによって二重チャネル配置に分けることができる点にも注意しなければならない。それらはまた、必要に応じてチャネルあたり個々の基板に分けることができる。これは、より小さい基板があまり応力を受けないので、より厳しい環境に対して有用である場合がある。

【0032】

ハウジング
ハウジング８００は、強化高温プラスチックによって射出成形工程で形成される。ハウジング８００は、敏感な半導体５００に対する防護壁であるのに加えて、多くの機能を果たす。これは、電圧遮断、キャプティブファスナ９００のための機械的支持体、電力接点曲げ工程のためのガイド、ゲル被膜のためのエントリゾーン、ゲル被膜工程のためのベント、及び自己強化内部リブ８１２を含む。これらの特徴の多くは、図１６及び図１７に示されている。高アスペクト比のトレンチは、電力接点４００の周囲に置かれ、電圧遮断機能を増大させる露出金属接点の間の表面距離を増大させる。

【0033】

図１６は、沿面拡張器８０２、被膜エントリ（passivation entries）及びベント（vents）８０４、キャプティブファスナ開口８０６、ラベル区域８０８、及び電力接点ピンチ（power contact pinch）及び半径８１０を含む高温プラスチックハウジング上側特徴を示している。図１７は、強化リブ８１２、厚いボルト孔コア部分８１４、ボルトヘッド逃し凹部８１６、ファスナインサート８１８の底部、電力接点通路８２０、及びワイヤ結合クリアランス開口８２２を含む裏側特徴を示している。

【0034】

図１８は、ハウジング８００が電子サブアセンブリの上を摺動して、電力接点４００が狭い開口部８２０を通じて送られたモジュール１００の上部を形成する方法を示している。ハウジング８００は、底板２００の上のネジ付き孔２９０に対して２つの点でボルト８３０により締められる。このステージにおいて、ゲル被膜材料は、モジュール１００の中に注入されて完全に硬化される。複数の開口部及びベント８０４は、この組立ステップを助ける。電力接点４００に対するハウジング８００のスライス８２０は、この工程を助ける通気された「ガイド」と、曲げ手順で助ける上部の丸いフィレット８１０とを有する。それらは、図１９に示されている。

【0035】

構成可能性
本文献で前に考察したように、電力モジュール１００は、様々な有用な電力電子トポロジーに構成可能である。それらは、ハーフブリッジ、共通ソース、及び共通ドレインを含む。電力基板３００及びゲート及びソースケルビン基板６００、並びに電力接点４００及びハウジング８００の変更によるチャネルの分割は、フルブリッジ、共通ソース二重チャネル、及び共通ドレイン二重チャネルを含む３つ以上の構成を可能にする。

【0036】

図２０は、ハーフブリッジ、単一チャネル共通ソース、及び単一チャネル共通ドレイン構成に対する第１の外部構成１５０を表示する。各側面に２つのゲート駆動接続７００に対して４つの位置７０１、７０２、７０３、７０４がある。いずれかの又は両側面は、この目的のために使用することができる。図２１に示す二重チャネル配置１５２に対して、電力接点４００は、分かれて２つの完全に分離されたチャネルを提供する。両側面上のゲート駆動接続７００が、ここに必要である。この配置は、フルブリッジ、二重チャネル共通ソース、及び二重チャネル共通ドレイントポロジーに使用される。

【0037】

より高い電流に対して及び単一モジュールを望む顧客に対して、二重電力モジュール２００のより大きい並置配置は、単一モジュール８００の中に並置して構成された２つのモジュールから製造することができる。

【0038】

詳細説明及び図面全体を通じて使用される参照番号は、以下の要素に対応する。
電力モジュール１００
電力ループ１１０
共有電流路１２０
第１の外部構成１５０
二重チャネル配置１５２
底板２００
装着孔２０３
スタンドオフ２１０
ネジ付き孔２１２
ネジ付き孔２９０
電力基板３００
金属層３０２
第１のトポロジーパターンのハーフブリッジ基板（half bridge substrate）３３０
第２のトポロジーパターンの共通ソース基板（common source substrate）３４０
第３のトポロジーパターンの共通ドレイン基板（common drain substrate）３５０
電力接点４００
第１の電力接点４１０
第２の電力接点４２０
第３の電力接点４３０
基部４５０
接着面４５２
半田キャッチ４５４
垂直体４６０
第１の曲げ４６２
前縁４６４
反対面４６６
接点上部４７０
第２の曲げ４７２
上側位置４８０
下側位置４９０
電力デバイス５００
第１の並列電力デバイス５０１
第２の並列電力デバイス５０２
第３の並列電力デバイス５０３
第４の並列電力デバイス５０４
第５の並列電力デバイス５０５
第６の並列電力デバイス５０６
第７の並列電力デバイス５０７
第８の並列電力デバイス５０８
第９の並列電力デバイス５０９
第１０の並列電力デバイス５１０
第１１の並列電力デバイス５１１
ゲート及びソースケルビン相互接続基板６００
第１の相互接続チャネル６０２
外側ダイ開口６０３
第２の相互接続チャネル６０４
内側ダイ開口６０５
第１の相互接続位置６１１
第２の相互接続位置６１２
第３の相互接続位置６１３
第４の相互接続位置６１４
個々の安定抵抗器（individual ballast resistors）６４０
接着位置６４２
ゲートトラック６５０
ゲートパッド６５１
ソーストラック６５２
相互接続チャネル６５４
ゲート駆動接続７００
第１のゲート駆動接続位置７０１
第２のゲート駆動接続位置７０２
第３のゲート駆動接続位置７０３
第４のゲート駆動接続位置７０４
ハウジング８００
沿面拡張器８０２
被膜エントリ及びベント８０４
キャプティブファスナ開口（captive fasteners apertures）８０６
ラベル区域８０８
電力接点ピンチ及び半径８１０
強化リブ８１２
ボルト孔コア部分８１４
ボルトヘッド逃し凹部８１６
ファスナインサート８１８
電力接点通路スライス８２０
ワイヤ結合クリアランス開口８２２
ボルト８３０
ファスナ９００

【0039】

上述の事項から、本発明は、構造に固有の他の利点と共に、本明細書に説明する全ての目的及び対象物を得るのに良好に適応していることは認められるであろう。特定の特徴及び部分的組合せは実用的であり、他の特徴及び部分的組合せを参照することなく使用することができることも理解されるであろう。これは、特許請求の範囲によって考えられており、かつその範囲にある。多くの可能な実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく本発明について行うことができる。従って、本明細書に説明するか又は添付の図面に示されている全ての事柄は、例示であって限定する意味に解釈すべきではないことは理解しなければならない。

【0040】

本出願の特許請求の範囲を解釈する時に、方法の特許請求の範囲は、特許請求の範囲の序文の用語「方法」の異なる使用、及び能動用語の「ｉｎｇ」の意味の使用によって認識することができる。方法の特許請求の範囲は、クレーム要素が、具体的に以前の要素、以前の作動、又は以前の作動の結果を指さない限り、特定の順序で特定のステップを有すると解釈すべきではない。装置クレームは、特許請求の範囲の序文の用語「装置」の使用によって認識することができ、用語「手段」が具体的にクレーム要素において使用されない限り、「手段プラス機能言語」を有すると解釈すべきではない。用語「定める」、「有する」、又は「含む」は、追加の要素又は構造を可能にするオープンエンドのクレーム言語と解釈しなければならない。最後に、特許請求の範囲が、本発明の均等物の「１つの」又は「第１の」要素を引用する場合、そのような特許請求の範囲は、２又はそれ以上のそのような要素を必要とすることもなければ又は除外することもなく、１又は２以上のそのような要素の組み込みを含むことを理解しなければならない。

【符号の説明】

【0041】

１００ 電力モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】