特許 6872291 パワーモジュール及びパワーモジュールを製造する方法

(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】6872291

(24)【登録日】2021年4月21日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】パワーモジュール及びパワーモジュールを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20210510BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20210510BHJP

   H01L 25/07 20060101ALN20210510BHJP

   H01L 25/18 20060101ALN20210510BHJP

   H05K 7/20 20060101ALN20210510BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

   H01L23/46 B

   !H01L25/04 C

   !H05K7/20 C

【請求項の数】8

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2019-539312(P2019-539312)

(86)(22)【出願日】2018年5月1日

(65)【公表番号】特表2020-505771(P2020-505771A)

(43)【公表日】2020年2月20日

(86)【国際出願番号】JP2018018023

(87)【国際公開番号】WO2018221149

(87)【国際公開日】20181206

【審査請求日】2019年7月19日

(31)【優先権主張番号】17173262.1

(32)【優先日】2017年5月29日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】503163527

【氏名又は名称】ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィ

【氏名又は名称原語表記】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｒ＆Ｄ ＣＥＮＴＲＥ ＥＵＲＯＰＥ Ｂ．Ｖ．

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(72)【発明者】

【氏名】ムラド、ロバート

(72)【発明者】

【氏名】モロヴ、ステファン

【審査官】 正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０４１０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１３８４８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００８０４０９０６（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６２９２３６６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開平０５−２３５４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 韓国公開特許第１０−２００５−０１１７４８２（ＫＲ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００１／０６３６６７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の部分及び第２の部分から構成されるパワーモジュールであって、
前記第１の部分は、導体層及び絶縁層から構成され、
前記導体層のうちの第１の導体層は前記第１の部分の底にあり、前記第２の部分は前記導体層のうちの少なくとも１つの第２の導体層から構成され、前記第１の導体層及び／又は前記第２の導体層は、壁が金属めっきされたパイプを形成するキャビティを構成し、
前記金属めっきは、前記第１の導体層及び前記第２の導体層を接合して防水導管を形成する、パワーモジュール。

【請求項2】

前記導体層の材料は、前記金属めっきの材料と同一である、請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項3】

前記導体層の材料及び前記金属めっきの材料は、銅である、請求項２に記載のパワーモジュール。

【請求項4】

前記パイプの前記壁は、表面パッシベーション材料によって更に金属めっき加工されている、請求項３に記載のパワーモジュール。

【請求項5】

前記表面パッシベーション材料はニッケル及び金で表面処理されている、請求項４に記載のパワーモジュール。

【請求項6】

前記第２の部分は導体層及び絶縁層から構成され、パワーダイ及び／又は受動素子は、前記第１の部分及び／又は前記第２の部分に埋め込まれている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。

【請求項7】

第１の部分及び第２の部分から構成されるパワーモジュールを製造する方法であって、前記第１の部分は導体層及び絶縁層から構成され、前記導体層のうちの第１の導体層は前記第１の部分の底にあり、前記第２の部分は前記導体層のうちの少なくとも１つの第２の導体層から構成される、方法において、
前記方法は、
キャビティを前記第１の導体層上及び／又は前記第２の導体層上に形成するステップと、
前記第１の導体層及び前記第２の導体層を重ね、前記第１の導体層及び前記第２の導体層が接触するとき、前記キャビティはパイプを形成するステップと、
前記第１の部分及び前記第２の部分を接合するために、前記第１の導体層及び前記第２の導体層によって形成される前記パイプの壁を金属めっき加工するステップと、
を含む、方法。

【請求項8】

前記方法は、表面パッシベーション材料を用いて前記パイプの前記壁をめっき加工するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、包括的には、パワーモジュール及びパワーモジュールを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気パワーモジュールは、例えば、直接接合銅基板及び冷却板の間の接合、又は、２つのプリント回路基板（ＰＣＢ）の間の接続等の２つの金属表面の間の電気的及び熱的接続を行うことが必要である場合がある。従来的には、この接続は、はんだ付け、焼結又は導電接着剤によって行われる。電子パワーモジュールは、プリント回路基板内に埋め込まれるパワーダイを更に備えることができる。

【0003】

第１の材料表面及び第２の材料表面を熱的かつ電気的に取り付けることは、純物質又は異なる物質の種類の混合物とすることができる第３の材料を必要とする。そのような方法は、２つの界面を作り、第１の界面は第１の材料及び第３の材料の間にあり、第２の界面は第２の材料と第３の材料の間にある。これらの界面は、通常、パワーモジュールに不具合を起こす場合がある欠点である。これは、熱機械的挙動、原子移動等の異なる材料特性に起因する。

【0004】

本発明は、接合される２つの部分から構成されるパワーモジュールを製造できることを目的とし、その接合はパワーモジュールに不具合を起こす場合がある欠点を生み出さない。

【発明の概要】

【0005】

このために、本発明は、第１の部分及び第２の部分から構成されるパワーモジュールであって、第１の部分は、導体層及び絶縁層から構成され、第１の導体層は第１の部分の底にあり、第２の部分は少なくとも１つの第２の導体層から構成され、第１の導体層及び／又は第２の導体層は壁が金属めっきされたパイプを形成するキャビティを構成し、金属めっきは第１の導体層及び第２の導体層を接合して防水導管を形成する、パワーモジュールに関する。

【0006】

したがって、接合は両方の部分間で行われ、機械的、電気的又は熱的接合として役割を果たすことができる。

【0007】

特定の特徴によれば、接合の機械的、電気的及び／又は熱的特性を改善するために、パイプは材料で満たされている。

【0008】

特定の特徴によれば、パイプは二相の材料で満たされている。

【0009】

したがって、熱はパワーモジュールの外に輸送され、これに相当する熱容量が増大する。

【0010】

特定の特徴によれば、導体層の材料は、金属めっきの材料と同一である。

【0011】

したがって、最終的なアセンブリは、パワーモジュールの不具合につながる亀裂及び剥離のリスクを低減する、界面のない単一の媒体である。

【0012】

特定の特徴によれば、導体層の材料及び金属めっきの材料は、銅である。

【0013】

したがって、この技術は、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding：ダイレクト銅ボンディング）又はＰＣＢ製造等の、幅広く用いられ、成熟した電力製造プロセスに含まれ得る。

【0014】

特定の特徴によれば、パイプの壁は、表面パッシベーション材料によって更に金属めっき加工される。

【0015】

特定の特徴によれば、表面パッシベーション材料はニッケル又は金である。

【0016】

特定の特徴によれば、第２の部分は導体層及び絶縁層から構成され、半導体素子及び／又は受動素子は、第１の部分及び／又は第２の部分に埋め込まれている。

【0017】

したがって、最終的なアセンブリは、電気的及び熱的に最適化された電力システムである。

【0018】

本発明はまた、第１の部分及び第２の部分から構成されるパワーモジュールを製造する方法であって、第１の部分は導体層及び絶縁層から構成され、第１の導体層は第１の部分の底にあり、第２の部分は少なくとも１つの第２の導体層から構成される、方法において、本方法は、キャビティを第１の導体層上及び／又は第２の導体層上に形成するステップと、第１の導体層及び第２の導体層を重ね、第１の導体層及び第２の導体層が接触するとき、キャビティはパイプを形成するステップと、第１の部分及び第２の部分を接合するために、第１の導体層及び第２の導体層によって形成されるパイプの壁を金属めっき加工するステップと、を含む、方法に関する。

【0019】

したがって、電気的及び熱的接続は、両方の層の間に形成される。

【0020】

特定の特徴によれば、接合の機械的、電気的、及び／又は熱的特性を改善するために、パイプは材料によって満たされている。

【0021】

特定の特徴によれば、パイプは二相の材料で満たされている。

【0022】

したがって、熱拡散が強まるか、又は熱がモジュールの外に輸送され、より重要なことには、熱容量が著しく高まる。

【0023】

特定の特徴によれば、導体層の材料は、金属めっきの材料と同一である。

【0024】

したがって、最終的なアセンブリは、パワーモジュールの不具合につながる亀裂及び剥離のリスクを低減する、界面のない単一の媒体である。

【0025】

特定の特徴によれば、方法は、表面パッシベーション材料を用いてパイプの壁をめっき加工するステップを更に含む。

【0026】

したがって、冷却回路はより長い時間の間、被覆なしのままであり、表面パッシベーションが冷却液に耐性があるのでその保全は低減されるか、又は不要となる。

【0027】

本発明の特徴は、例示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。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】

【0028】

【図1】本発明による、パワーモジュールの第１の部分及び第２の部分の間のパイプを作るために処理されるパワーモジュールの第１の部分を表す図である。

【図2】本発明による、パワーモジュールの第１の部分及び第２の部分を表す図である。

【図3】本発明による、パイプを形成するために組み立てられるパワーモジュールの第１の部分及び第２の部分を表す図である。

【図4】パイプの壁の金属めっきによってともに接合されるパワーモジュールの第１の部分及び第２の部分を表す図である。

【図5】ともに接合されるパワーモジュールの第１の部分及び第２の部分を表す図であり、本発明によるパイプの壁の第２のパッシベーション金属めっきが行われる。

【図6】本発明による、パワーモジュールを製造するアルゴリズムを表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

図１は、本発明による、パワーモジュールの第１の部分及び第２の部分の間のパイプを作るために処理されるパワーモジュールの第１の部分を表す図である。

【0030】

パワーモジュールの第１の部分１００ａは、例えば銅層等の導体層１１０、１１２、１１６及び１１８と、例えばＦＲ４等の絶縁層１１１、１１５及び１１７とから作製されたプリント回路基板である。

【0031】

プリント回路基板は、この構造において埋め込まれる半導体又は受動素子１１４ａ及び１１４ｂを有することができる。

【0032】

図１の例では、第１の部分は、銅製の４つの導体層１１０、１１２、１１６及び１１８と、ＦＲ４から作製された３つの絶縁層１１１、１１５及び１１７とから作製されたプリント回路基板である。この構造は、第１の部分に埋め込まれ、レーザ穴あけ及び銅めっき１１３によって接続される２つの半導体素子１１４ａ及び１１４ｂを有する。

【0033】

図２は、本発明による、パワーモジュールの第１の部分及び第２の部分を表す。

【0034】

図２の例では、パワーモジュールの第２の部分１００ｂは、第１の部分と同様である。ここで、第２の部分は第１の部分と異なる場合があり、単一の導体層から構成される場合があることに留意しなければならない。

【0035】

図２の例では、第２の部分１００ｂは銅製の４つの導体層と、ＦＲ４から作製された３つの絶縁層とから作製されたプリント回路基板である。この構造は、第１の部分に埋め込まれ、レーザ穴あけ及び銅めっきによって接続される２つの半導体素子を有する。

【0036】

パワーモジュールの第１の部分１００ａ及び第２の部分１００ｂ、より厳密には、第１の部分１００ａの導体層１１８及び第２の部分の導体層２０５は、第１の部分及び第２の部分が接触するとき、導体層１１８の表面上のキャビティ２００ａ〜２００ｇ及び導体層２０５の表面上のキャビティ２１０ａ〜２１０ｇを形成するために処理される。

【0037】

この処理は、例えば、キャビティを形成する機械的、化学的、又は他のエッチング技術である。

【0038】

図２の例では、キャビティは、導体層１１８及び導体層２０５両方の表面上に形成される。一変形形態では、キャビティは、導体層１１８又は導体層２０５の一方の表面上のみに形成される。

【0039】

図３は、本発明による、パイプを形成するために組み立てられるパワーモジュールの第１の部分及び第２の部分を表す。

【0040】

両方の部分は、パイプ３００ａ及びパイプ３００ｇを近接させるために、ともに押圧される。押圧は、導体層１１８及び導体層２０５の２つの表面間の直接接触によって、又は更なる接着層を用いることによって、行うことができる。

【0041】

実現の一変形形態では、ＦＲ４シートは、両方の部分をともに取り付け、配列するのに用いられる。２つの部分間の電気的接触を確実にするために、パイプのジオメトリと同様のジオメトリは、例えば、ＦＲ４シートにおいてレーザ切断によって切断されなければならないことに留意されたい。

【0042】

図４は、パイプの壁の金属めっきによってともに接合されるパワーモジュールの第１の部分及び第２の部分を表す。

【0043】

このめっき加工は、単一の又は複数のめっきサイクルによって行うことができる。

【0044】

２つの部分１００ａ及び１００ｂは、ともに押圧されると、無電解めっき浴に浸され、そこでは、めっき液はパイプ内を流れ、銅層はパイプの内面全体に作られる。

【0045】

その後、パワーモジュールは金属めっき４００ａ及び金属めっき４００ｇの厚みを増加させるために電解めっき浴に浸すことができる。

【0046】

必要とされる銅めっきの厚さを達成すると、２つの部分はここで接合され、電気的接続及び熱的接続は、２つの接合された表面間でなされる。

【0047】

図５は、ともに接合されるパワーモジュールの第１の部分及び第２の部分を表し、本発明によるパイプの壁の第２のパッシベーション金属めっきが行われる。

【0048】

パイプ内の銅の酸化を避けるために、専用の表面処理を適用することができる。

【0049】

したがって、ここで、その後の十分な接着及び金めっきを確実にするように、アセンブリは、ニッケル等の金属の薄い層をめっき加工するために、複数の化学めっき浴に浸される。

【0050】

開いているパイプを用いて、この構造を冷やすために冷却液を施すことができる。

【0051】

図６は、本発明による、パワーモジュールを製造するアルゴリズムを表す。

【0052】

ステップＳ６０では、めっき液の経路を作製するために、接合されることになる表面領域内にキャビティが作られ、接合される表面領域になる。キャビティは、機械的、化学的、電気的なプロセス等の任意の減法プロセスによって作製することができる。代替的には、例えばマスキングされた電着等の、選択的な加法プロセスによって、適した突起を形成することができる。機械加工又はエッチングは、パワーモジュールの第１の部分若しくは第２の部分の一方の表面又は両方の表面上で行うことができる。

【0053】

ステップＳ６１では、第１の部分及び第２の部分が組み立てられる。これらの部分は、ともに押圧され、めっき液のための単一の入り口又は複数の入り口、及び液のための単一の出口又は複数の出口を有する閉じたパイプを作ることになる。

【0054】

ステップＳ６２では、第１の部分及び第２の部分がともに押圧されると、めっき液がパイプに流れ込むか、アセンブリがめっき浴に浸され、金属電着が、例えば強制的な液体循環とともにパイプ内でなされる。電着した金属は、表面間に機械的、電気的、及び熱的な接合部を作る。

【0055】

金属めっき処理を制御して、パイプが閉じる度合いを変えることができる。堆積法は、電解めっき又は無電解めっき等の、任意の液体ベースの金属電着とすることができる。また、複数のめっき法及び複数の金属めっきの種類は、接合の電気的、機械的、化学的又は、熱的特性を改善するために組み合わせることができる。

【0056】

いくつかの例では、めっき加工された金属の接合された領域への接着が弱い場合、めっき処理する前に、両方の表面間の接合を改善するために、ニッケル、亜鉛、チタン等の専用のシード表面処理（seed-finishing）をそれらの領域に適用することができる。

【0057】

表面は中間材料なしで直接ともに押圧することができるか、有機物質又は無機物質等の接着層が２つの構造間の良好な配列のために表面間に配置される。これらの接着材料は、接合特性を適合させるために金属の充填剤を有することもできるし、有しないこともできる。

【0058】

ステップＳ６３では、金属めっきの厚さが制御される。

【0059】

例えば、厚さは、最大で７００マイクロメートルまでの数マイクロメートル間で構成されなければならない。

【0060】

金属めっきの厚さが最大で７００マイクロメートルまでの数マイクロメートル間で構成される場合、処理はステップＳ６４に進み、そうでなければステップＳ６２が繰り返される。

【0061】

ステップＳ６４では、表面パッシベーションが決定されるか、又は決定されない。

【0062】

表面パッシベーションを行う必要がない場合、方法は終了する。そうでなければ、ステップＳ６５では、例えば、その後の十分な接着及び金めっきを確実にするように、ニッケル等の金属の薄い層をめっき加工することによって、パイプの内面の酸化又は腐食を防ぐために、空のパイプ内で金等の専用の表面パッシベーションは行われる。

【0063】

特定の実現様式によれば、接合の機械的、電気的及び／又は熱的特性を改善するために、金属粒子又はセラミック粒子等で満たされている有機接着剤のような材料で、パイプは満たされている。

【0064】

特定の実現様式によれば、熱パイプを作るか、開いているパイプ内で熱容量を増大させるために、パイプは二相の材料で満たされている。そのような熱パイプの輸送を用いて、パワーモジュールの外に熱を拡散させるか、熱を輸送することができる。

【0065】

当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上記で説明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】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】