特開 2023-70145 埋め込みＰＣＢを有するパワーデバイスアセンブリ及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023070145

(43)【公開日】2023-05-18

(54)【発明の名称】埋め込みＰＣＢを有するパワーデバイスアセンブリ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20230511BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20230511BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022176150

(22)【出願日】2022-11-02

(31)【優先権主張番号】17/518,300

(32)【優先日】2021-11-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】507342261

【氏名又は名称】トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ，インコーポレイティド

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(72)【発明者】

【氏名】フォン チョウ

(72)【発明者】

【氏名】リウ ヤンホー

(72)【発明者】

【氏名】請川 紘嗣

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136BB04

5F136CB07

5F136DA27

5F136FA02

5F136FA03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】冷却板アセンブリ及び１つ又は複数のパワーデバイスアセンブリを含むパワーエレクトロニクスアセンブリのための装置及び方法を提供すること。
【解決手段】パワーエレクトロニクスアセンブリ１００において、冷却板アセンブリ１０２は、第１の面にヒートシンク用空洞１０８を含むマニホールド１０４と、ヒートシンク１１０と、を含む。ヒートシンクは、基板空洞１１２を含み、ヒートシンク用空洞１０８内に位置決めされる。複数のパワーデバイスアセンブリ１１４それぞれは、基板空洞内に位置決めされ、絶縁層及びパワーデバイスに直接接合された第１の金属層を含む直接接合金属（ＤＢＭ）基板を含む。ＤＢＭ基板は、パワーデバイス用空洞を含む。パワーエレクトロニクスデバイスは、パワーデバイス用空洞内に位置決めされ、第１の金属層に電気的に結合される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワーエレクトロニクスアセンブリであって、
第１の面にヒートシンク用空洞を具備するマニホールドと、１つ又は複数の基板空洞を具備し前記ヒートシンク用空洞内に配置されるヒートシンクとを具備する、冷却板アセンブリと、
前記１つ又は複数の基板空洞内に配置された１つ又は複数のパワーデバイスアセンブリであって、該１つ又は複数のパワーデバイスアセンブリの各パワーデバイスアセンブリが、絶縁体層に直接接合された第１の金属層を具備しパワーデバイス用空洞を具備する直接接合金属（ＤＢＭ）基板と、前記パワーデバイス用空洞内に配置され前記第１の金属層に電気的に結合されるパワーデバイスとを具備する、１つ又は複数のパワーデバイスアセンブリと、
を具備する、パワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項2】

前記パワーデバイス用空洞と前記パワーデバイスとの間に少なくとも部分的に配置された接合層をさらに備え、前記接合層は接合高さを画定し、
前記基板空洞は、基板空洞深さを画定し、
前記パワーデバイスは、パワーデバイス高さを画定し、
前記基板空洞深さは、前記接合高さを伴う前記パワーデバイス高さと値が実質的に等しい、
請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項3】

前記パワーデバイス用空洞は、前記パワーデバイスを受容するような形状およびサイズである、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項4】

前記第１の金属層の上面が、前記パワーデバイスの上面と実質的に同一平面上にある、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項5】

前記第１の面は、前記パワーデバイスの上面と実質的に同一平面上にあり、
前記第１の金属層及び前記パワーデバイスは、前記パワーデバイスの周囲に延在するチャネルを形成し、
前記冷却板アセンブリは、前記チャネルの上面が前記第１の面と同一平面上になるまで、前記チャネルが印刷されるように構成され、
前記冷却板アセンブリは、プリント回路板（ＰＣＢ）基板が前記第１の面上に印刷されるように構成される、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項6】

前記冷却板アセンブリは、電気絶縁層及びｓセルが前記第１の面上に印刷されるように構成される、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項7】

冷却剤を受け取るように構成された前記マニホールドの入口と、
冷却剤を提供するように構成された前記マニホールドの出口であって、前記入口に流体結合される出口と、
前記入口と前記出口との間に配置されたフィンであって、前記入口の流体的に下流にさらに配置され、前記入口の下流で前記冷却剤の流れを乱すように構成されるフィンと、
をさらに具備する、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。

【請求項8】

パワーデバイスアセンブリであって、
絶縁体層に直接接合された第１の金属層を具備し、１つ又は複数のパワーデバイス用空洞を具備する直接接合金属（ＤＢＭ）基板と、
前記１つ又は複数のパワーデバイス用空洞のうちの１つにそれぞれ配置された１つ又は複数のパワーデバイスであって、該１つ又は複数のパワーデバイスのそれぞれは、前記第１の金属層に電気的に結合される１つ又は複数のパワーデバイスと、
を具備する、パワーデバイスアセンブリ。

【請求項9】

ヒートシンクアセンブリの第１の面をさらに具備し、前記ＤＢＭ基板は、前記第１の面のヒートシンク用空洞内に配置される、請求項８に記載のパワーデバイスアセンブリ。

【請求項10】

前記第１の面は、前記パワーデバイスの上面と実質的に同一平面上にある、請求項９に記載のパワーデバイスアセンブリ。

【請求項11】

前記ヒートシンクアセンブリは、前記絶縁体層及びｓセルが前記第１の面上に印刷されるように構成される、請求項１０に記載のパワーデバイスアセンブリ。

【請求項12】

前記第１の金属層及び前記１つ又は複数のパワーデバイスのそれぞれは、前記パワーデバイスのそれぞれの周囲に延在するチャネルを形成し、前記チャネルは、前記チャネルの上面が前記第１の面と実質的に同一平面上になるまで印刷される、請求項１０に記載のパワーデバイスアセンブリ。

【請求項13】

前記パワーデバイス用空洞のそれぞれは、前記１つ又は複数のパワーデバイスのうちのパワーデバイスを受容するような形状及びサイズである、請求項８に記載のパワーデバイスアセンブリ。

【請求項14】

前記第１の金属層の上面は、前記パワーデバイスの上面と実質的に同一平面にある、請求項８に記載のパワーデバイスアセンブリ。

【請求項15】

パワーエレクトロニクスアセンブリを形成する方法であって、
冷却板マニホールドの第１の面上のヒートシンク用空洞内にヒートシンクを位置決めすることであって、前記ヒートシンクは１つ又は複数の基板空洞を具備することと、
前記１つ又は複数の基板空洞内に１つ又は複数のパワーデバイスアセンブリを埋め込むことであって、各パワーデバイスアセンブリは、絶縁体層に接合された第１の金属層を具備する直接接合金属（ＤＢＭ）基板を具備し、前記ＤＢＭ基板はパワーデバイス用空洞を具備することと、
接合層を前記パワーデバイス用空洞内に少なくとも部分的に設置することと、
前記接合層を介してパワーデバイスを前記パワーデバイス用空洞に接合することであって、前記パワーデバイスは前記第１の金属層に電気的に結合されることと、
を含む、方法。

【請求項16】

前記接合層は接合高さを画定し、
前記パワーデバイス用空洞は、パワーデバイス用空洞深さを画定し、
前記パワーデバイスは、パワーデバイス高さを画定し、
前記パワーデバイス用空洞深さは、前記接合高さを伴う前記パワーデバイス高さと値が実質的に等しい、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記パワーデバイス用空洞は、前記パワーデバイスを受容するような形状及びサイズである、請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

プリント回路板（ＰＣＢ）基板を前記第１の面上に印刷することをさらに含み、
前記第１の金属層の上面が前記パワーデバイスの上面と実質的に同一平面上にある、
請求項１５に記載の方法。

【請求項19】

前記絶縁体層及びｓセルを前記第１の面上に印刷することをさらに含み、前記第１の金属層の上面が、前記パワーデバイスの上面と実質的に同一平面上にある、請求項１５に記載の方法。

【請求項20】

前記冷却板マニホールドの入口を介して冷却剤を受け取ることと、
前記冷却板マニホールドの出口を介して冷却剤を提供することであって、前記出口は前記入口に流体結合されることと、
フィンを介して前記入口の下流で冷却剤の流れを乱すことであって、前記フィンは前記入口と前記出口との間に配置され、前記フィンは前記入口の流体的に下流にさらに配置されることと、
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、パワー電子アセンブリ用の装置及び方法に概ね関し、さらに具体的には、コンパクトなパッケージサイズを実現しながら全体的な熱抵抗が低いパワー電子アセンブリ用の装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

車両に電子機器を使用することが増えたことにより、電子システムをさらにコンパクトにする必要がある。このような電子システムの構成要素の１つが、インバータのスイッチとして使用されるパワー電子デバイスである。パワー電子デバイスには、発生する熱のために膨大な冷却要件がある。

【0003】

さらに、従来はシリコンで構成されていたパワー電子デバイスが、現在ではシリコンカーバイドで構成される傾向にある。シリコンカーバイドを使用することにより、デバイスの設置面積が小さくなるため、熱流束が大きくなる。このような理由などから、コンパクトなパッケージサイズを維持しながら、パワー電子デバイスの冷却を改善する必要がある。

【発明の概要】

【0004】

一実施形態では、パワーエレクトロニクスアセンブリ用の装置が、冷却板アセンブリと、１つ又は複数のパワーデバイスアセンブリとを備える。冷却板アセンブリは、第１の面にヒートシンク用空洞を備えるマニホールドと、ヒートシンクとを備える。ヒートシンクは１つ又は複数の基板空洞を備え、ヒートシンクはヒートシンク用空洞内に位置決めされる。１つ又は複数のパワーデバイスアセンブリは、１つ又は複数の基板空洞内に位置決めされる。１つ又は複数のパワーアセンブリの各パワーデバイスアセンブリは、絶縁体層とパワーデバイスとに直接結合された第１の金属層を含む直接接合金属（ＤＢＭ）基板を備える。ＤＢＭ基板はパワーデバイス用空洞を備える。パワーデバイスはパワーデバイス用空洞内に位置決めされ、パワーデバイスは第１の金属層に電気的に結合される。

【0005】

別の実施形態では、パワーデバイスアセンブリが、直接接合金属（ＤＢＭ）基板及び１つ又は複数のパワーデバイスを備える。ＤＢＭ基板は絶縁体層に直接接合された第１の金属層を備え、ＤＢＭ基板は１つ又は複数のパワーデバイス用空洞を備える。１つ又は複数のパワーデバイスは、１つ又は複数のパワーデバイス用空洞の１つにそれぞれ位置決めされる。１つ又は複数のパワーデバイスのそれぞれは、第１の金属層に電気的に結合される。

【0006】

さらに別の実施形態では、パワーエレクトロニクスアセンブリを形成する方法を示している。この方法は、冷却板マニホールドの第１の面上のヒートシンク用空洞内にヒートシンクを位置決めするステップを含む。ヒートシンクは、１つ又は複数の基板空洞を備える。この方法は、１つ又は複数の基板空洞内に１つ又は複数のパワーデバイスアセンブリを埋め込むステップをさらに含む。各パワーデバイスアセンブリは、絶縁体層に接合された第１の金属層を有する直接接合金属（ＤＢＭ）基板を備える。ＤＢＭ基板はパワーデバイス用空洞を備える。この方法は、接合層をパワーデバイス用空洞内に少なくとも部分的に設置するステップをさらに含む。この方法は、接合層を介してパワーデバイス用空洞にパワーデバイスを接合するステップをさらに含む。パワーデバイスは、第１の金属層に電気的に結合される。

【0007】

ここに挙げた特徴及び本明細書に記載の実施形態によって提供される追加の特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することにより、さらに完全に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

図面に記載の実施形態は、本質的に例示的で典型的なものであり、特許請求の範囲によって定義される主題を限定することを意図するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、類似の構造を類似の参照番号で示している以下の図面と併せて読むと理解することができる。

【0009】

【図1】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、複数の埋め込みパワーデバイスを備える例示的なパワーエレクトロニクスアセンブリの斜視図を概略的に示す。

【図2】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、ヒートシンク及びマニホールドを有するパワーエレクトロニクスアセンブリの冷却板アセンブリの分解斜視図を概略的に示す。

【図3】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、パワーエレクトロニクスアセンブリの冷却板アセンブリの組立斜視図を概略的に示す。

【図4】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、パワーエレクトロニクスアセンブリの冷却板アセンブリの側面図を概略的に示す。

【図5】図１の断面Ａ－Ａに沿った、図１のパワーエレクトロニクスアセンブリの側面図を概略的に示す。

【図6】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、複数の埋め込みパワーデバイスアセンブリのうちの１つの分解斜視図を概略的に示す。

【図7】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、複数の埋め込みパワーデバイスアセンブリのうちの１つの組立斜視図を概略的に示す。

【図8】図５の部分Ｂ－Ｂに沿った、図１のパワーデバイスアセンブリの斜視図を概略的に示す。

【図9】図示し説明する１つ又は複数の実施形態による、パワーデバイスアセンブリに埋め込まれたパワーデバイスアセンブリの側面図を概略的に示す。

【図10】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、力を受けることに応答してパワーデバイスアセンブリに埋め込まれたパワーデバイスアセンブリの側面図を概略的に示す。

【図11】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、複数の埋め込みパワーデバイスアセンブリを備える例示的なパワーエレクトロニクスアセンブリの別の斜視図を概略的に示す。

【図12】図１１の断面Ｃ－Ｃに沿った、図１１のパワーエレクトロニクスアセンブリの側面図を概略的に示す。

【図13】本明細書に示し説明する１つ又は複数の実施形態による、ＰＣＢが印刷された例示的なパワーエレクトロニクスアセンブリの斜視図を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本明細書に記載の実施形態では、導電層と一体化された直接接合金属（ＤＢＭ）層を有するパワーエレクトロニクスアセンブリと、自己整合機能を有する冷却板アセンブリとを概ね対象とする。導電層は、パワーエレクトロニクスデバイスが設置される空洞を有する。空洞は、パワーエレクトロニクスデバイスの上面が冷却板アセンブリの上面と面一になるように設計されており、パワーエレクトロニクスデバイスをその下部電極に電気的に結合することができるようにする。表面が平坦であることにより、ＰＣＢ(printed circuit board)を冷却板アセンブリに直接印刷することができる。全体に広がる層が少ないため、パワーエレクトロニクスアセンブリの全体的な熱抵抗が小さくなる。さらに、熱を発生するパワーエレクトロニクスデバイスが冷却板に近接しているため、冷却が改善される。これにより、パワーエレクトロニクスデバイスは、コンパクトなパッケージサイズを維持しながら、出力する電力を高くすることができる。

【0011】

従来のシステムでは、パワーエレクトロニクスアセンブリ用のパワーエレクトロニクスデバイスをパワーエレクトロニクスデバイスの下部電極に電気的に結合するために、別個の金属構成要素が必要である。これにより、構成要素が追加され、アセンブリの高さが増大し、熱抵抗が増大する。

【0012】

パワーエレクトロニクスアセンブリ、パワー電子アセンブリを製造する方法及びパワー電子アセンブリの動作のさまざまな実施形態を、本明細書でさらに詳細に説明する。可能な限り、同一又は類似の部品を参照するために、図面全体を通して同一の参照番号を使用することになる。

【0013】

ここで図１－図３を参照すると、本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態による例示的なパワーエレクトロニクスアセンブリ１００を示している。特に、図１は、複数のパワーデバイスアセンブリ１１４を備えるパワーエレクトロニクスアセンブリ１００を示しており、１つのパワーデバイスアセンブリを分解図で示している。図２は、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の冷却板アセンブリ１０２を分解図で示している。図３は、図２の冷却板アセンブリ１０２を組立図で示している。

【0014】

いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００は、電気自動車で利用される。他の実施形態では、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００は、ハイブリッド車両、任意の電動機、発電機、工業用工具、家庭用電化製品などの電動装置で使用されるが、ここに挙げたものに限定されない。パワーエレクトロニクスアセンブリ１００は、電気モータ及び／又はバッテリに電気的に結合されてもよく、電気モータ及び／又はバッテリから電力を受け取るように構成される。

【0015】

例示的なパワーエレクトロニクスアセンブリ１００は、パワーデバイス１１４によって生成された熱を吸収しながら、埋め込みパワーデバイス１１４を収容するように構成された冷却板アセンブリ１０２を含む。本明細書でさらに詳細に考察するように、冷却板アセンブリ１０２は、パワーデバイス１１４によって生成された熱を吸収するように構成された冷却剤を受け取り、その冷却剤を下流の冷却システムに提供する。このようにして、冷却板アセンブリ１０２は、効率的な方法でパワーエレクトロニクスアセンブリ１００から熱を除去することができる。冷却板アセンブリ１０２は、熱伝導性材料のブロックから機械加工されても、鍛造されても、押し出し成形されても、鋳造されてもよい。いくつかの実施形態では、冷却板アセンブリ１０２は３Ｄ印刷される。

【0016】

冷却板アセンブリ１０２は、マニホールド１０４（例えば、マニホールド板）を備える。マニホールド１０４は、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００から熱を除去するために冷却剤を受け取って提供するように構成される。マニホールド１０４は、第１の面１０６（例えば、平面）を有する。第１の面１０６は、実質的に平坦な輪郭を形成する。本明細書でさらに詳細に考察するように、ＰＣＢを第１の面１０６上に印刷してもよい。これは、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の熱抵抗を低減することになるため、有利である。

【0017】

マニホールド１０４は、入口１３２（例えば、入力ポート）を備える。入口１３２は、（図示しない）冷却システムから冷却剤を受け取るように構成される。冷却剤は、ヒートシンク１１０と連動した後、ヒートシンク１１０から熱を受け取るように構成される。冷却板アセンブリ１０２は、出口１３４（例えば、出力ポート）をさらに備える。温められた冷却剤は、出口１３４を介して冷却板アセンブリ１０２から流出する。このようにして、冷却板アセンブリ１０２は、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００を冷却することができる。

【0018】

マニホールド１０４は、第１の面１０６にヒートシンク用空洞１０８（図２を参照）を形成する。冷却板アセンブリ１０２は、ヒートシンク１１０をさらに備える。ヒートシンク１１０は、図１及び図３に示すように、ヒートシンク用空洞１０８内に位置決めされる。ヒートシンク１１０がヒートシンク用空洞１０８内に位置決めされていることにより、ヒートシンク１１０の要素が冷却板アセンブリ１０２に対して自己整合される。換言すると、ヒートシンク１１０を特定の位置に固定することにより、ヒートシンク１１０の位置が既知である。これにより、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の全体的な組立公差が減少する。

【0019】

ヒートシンク１１０は複数の基板空洞１１２を備える。本明細書でさらに詳細に考察するように、複数の基板空洞１１２のそれぞれは、構成要素が複数の基板空洞１１２のそれぞれに設置されたときに、複数の基板空洞１１２のそれぞれの上面が第１の面１０６と面一になる（例えば、同じ平面に沿って平坦である）のに充分な程の深さを形成する。これは、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００上に印刷されるＰＣＢに平坦な表面を提供することになるため、有利である。

【0020】

ここで図４を参照すると、例示的な冷却板アセンブリの側面図を示している。いくつかの実施形態では、冷却板アセンブリ１０２はフィン２０２を備える。フィン２０２はヒートシンク１１０の底面に位置決めされる。フィン２０２は入口１３２と出口８０４との間にさらに位置決めされる。さらに、フィン２０２は、入口１３２の流体的に下流かつ出口１３４の流体的に上流に位置決めされる。これにより、フィン２０２は、冷却剤の流れを、出口１３４から流出する前に乱す(disrupt)。このようにして、入口１３２に流入する冷却剤が、冷却板アセンブリ１０２を冷却する効果を高めるために、フィン２０２と最大限に接触する。フィン２０２は、一連のチャネルを備える。いくつかの実施形態では、フィン２０２は、ピンフィン又は任意の他の適切なタイプのフィンを備える。冷却剤は、入口１３２に流入した後、冷却板アセンブリ１０２を冷却する効果を高めるために、フィン２０２のチャネルを通って流れる。

【0021】

ここで図５を参照すると、図１の断面Ａ－Ａに沿った、図１のパワーエレクトロニクスアセンブリの側面図を示している。図示のように、ヒートシンク１１０、基板空洞１１２及びパワーデバイスアセンブリ１１４の上面は、マニホールド１０４の第１の面１０６と面一である。

【0022】

ここで図６－図７を参照すると、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００のための複数のパワーデバイスアセンブリ１１４の個々のパワーデバイスアセンブリ１１４を示している。図６はパワーデバイスアセンブリ１１４を分解図で示し、図７はパワーデバイスアセンブリを組立図で示す。複数のパワーデバイスアセンブリ１１４が複数の基板空洞１１２に埋め込まれている（例えば、配置されている）。非限定的な例として、複数のパワーデバイスアセンブリ１１４は、電気モータなどの電気装置に電力を供給するためのインバータ回路を形成してもよい。

【0023】

複数のパワーデバイスアセンブリ１１４のそれぞれが複数の基板空洞１１２のうちの１つに位置決めされることにより、複数のパワーデバイスアセンブリ１１４のそれぞれは、冷却板アセンブリ１０２に対して自己整合される。換言すれば、複数のパワーデバイスアセンブリ１１４のそれぞれを特定の位置に固定することにより、複数のパワーデバイスアセンブリ１１４のそれぞれの位置が既知である。これにより、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の全体的な組立公差が減少する。さらに、複数のパワーデバイスアセンブリ１１４のそれぞれの上面が第１の面１０６と面一である。

【0024】

各パワーデバイスアセンブリ１１４は、直接接合金属（ＤＢＭ）基板１１６を備える。ＤＢＭ基板１１６は、パワーデバイスアセンブリ１１４を互いに絶縁するための電気的絶縁を提供する。

【0025】

ＤＢＭ基板１１６は、電気絶縁層１２０に直接接合された第１の金属層１１８を備える。例示的な実施形態では、第１の金属層１１８は、ＤＢＭ基板１１６の最上層に位置決めされる。第１の金属層１１８は、銅、アルミニウム又は任意の適切な導体から構成されてもよい。本明細書でさらに詳細に考察するように、第１の金属層１１８は、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の「Ｓセル」として動作する。換言すれば、第１の金属層１１８は、パワーデバイスの下部電極への電気的接続を提供する。

【0026】

ＤＢＭ基板１１６は絶縁層１２０をさらに備える。冷却板アセンブリ１０２は導電性材料から構成されるため、絶縁層１２０は、複数のパワーデバイスアセンブリ１１４のそれぞれに対して互いからの電気的絶縁を提供する。電気絶縁層はアルミナなどのセラミックであってもよい。

【0027】

ＤＢＭ基板１１６は、ＤＢＭ基板１１６の第１の金属層１１８内にパワーデバイス用空洞１２２をさらに備える。ＤＢＭ基板１１６は、電気絶縁層１２０の底面上に（図示しない）底部金属層をさらに備える。

【0028】

本明細書でさらに詳細に考察するように、パワーデバイス用空洞１２２は、構成要素をＤＢＭ基板１１６に接合した後、ＤＢＭ基板１１６の上面が第１の面１０６と面一になるように構成される。

【0029】

各パワーデバイスアセンブリ１１４は、接合層１２４（例えば、はんだ層）をさらに備える。接合層１２４は、パワーデバイス用空洞１２２の底面及び／又は側面に位置決めされ、パワーエレクトロニクスデバイス１２６をパワーデバイス用空洞１２２に接合するように構成される。接合層１２４は、銀焼結、はんだ付け、一過性液相接合（ＴＬＰ）又は任意の他の適切な接合方法による接合を提供してもよい。

【0030】

各パワーデバイスアセンブリ１１４は、パワーエレクトロニクスデバイス１２６をさらに備える。パワーエレクトロニクスデバイス１２６は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）又は任意の他の適切なパワーデバイスであってもよい。パワーエレクトロニクスデバイス１２６は、パワーデバイス用空洞１２２に埋め込まれている。パワーエレクトロニクスデバイス１２６は、接合層１２４を介してパワーデバイス用空洞１２２に接合され、はんだ付けされ、接着されてもよい。パワーエレクトロニクスデバイス１２６は、高電圧要件を有する構成要素の電力接続を可能にするために、電気パッド１２８を備える。パワーエレクトロニクスデバイス１２６は、ドライバ（例えば、ゲートドライバ）から制御信号を受信し、パワーデバイスアセンブリ１１４に埋め込まれたセンサ（例えば、温度センサ、電流センサ）から信号を提供し得る小さめの電気パッド１３０をさらに備える。パワーエレクトロニクスデバイス１２６の高さ及び接合層１２４の厚さは、パワーデバイス用空洞１２２の深さと実質的に等しくなるように構成される。これにより、パワーデバイスアセンブリ１１４の上面が第１の面１０６と面一になる。

【0031】

パワーエレクトロニクスデバイス１２６は、接合層１２４を介して第１の金属層１１８に電気的に結合される（図示しない）下部電極を備える。次に、下部電極への電気的接続が、第１の金属層１１８を介して実施される。第１の金属層１１８内のデバイス空洞１２２に電力を供給して第１の金属層１１８を下部電極に電気的に結合することにより、この電気的接続を実施するために別の導電性構成要素は必要ない。これは、構成要素の数、高さ及びパワーエレクトロニクスアセンブリ１００の全体的な熱抵抗を減らすことになるため、有利である。

【0032】

例えば、従来のシステムでは、絶縁層と潤滑油が必要になる場合がある。このような層は、パワー電子システムの全体的な熱抵抗を増大させると同時に、熱源をコールドシンクから分離する。図６－図７で考察したように、現在の配置は、パワーエレクトロニクスデバイス１２６（例えば、熱源）とヒートシンク１１０との間の層の除去を容易にする。このため、パワーエレクトロニクスデバイス１２６とヒートシンク１１０との間の熱抵抗は実質的に減少する。これは、コンパクトなパッケージサイズを実現しながらパワーエレクトロニクスデバイス１２６の冷却を最大化することになるため、有利である。さらに、改善された冷却は、コンパクトなパッケージサイズを維持しながら、パワーエレクトロニクスデバイス１２６が提供する電力を増大させることを容易にする。

【0033】

各パワーエレクトロニクスデバイス１２６がパワーデバイス用空洞１２２の１つに位置決めされているため、各パワーエレクトロニクスデバイス１２６は冷却板アセンブリ１０２に対して自己整合される。換言すれば、各パワーエレクトロニクスデバイス１２６を特定の位置に固定することにより、各パワーエレクトロニクスデバイス１２６の位置が既知である。これにより、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の全体的な組立公差が減少する。

【0034】

さらに、この配置は、ＰＣＢが第１の面１０６上に直接３Ｄ印刷されることを容易にする。これは、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の各構成要素が第１の面１０６に対して面一であることと、各空洞がそれぞれの構成要素を自己整合させることによるものである。さらに、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の製造プロセスでは、接合リフロー固定具は必要ない。これは、接合を必要とする構成要素が少なくなり、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の自己整合機能により接合の精度が向上したことによるものである。

【0035】

ここで図８を参照すると、図４の部分Ｂ－Ｂに沿った、図１のパワーデバイスアセンブリの斜視図を示している。パワーデバイスアセンブリ１１４は、パワーデバイスアセンブリ１１４の周囲とヒートシンク１１０との間にチャネル８０２（例えば、空間、開放エリア）を形成する。冷却板アセンブリ１０２上にＰＣＢを印刷する前に、チャネル８０２は、第１の面１０６と面一になるように最初に充填されてもよい。チャネル８０２は、手動充填プロセスによって充填されてもよく、あるいは３Ｄプリンタによって印刷される。これは、第１の面１０６が冷却板アセンブリ１０２の上面全体にわたって面一であることを可能にすることになるため、有利である。図８はこのほか、フィン２０２のチャネル状構造を示す。上記でさらに詳細に考察したように、マニホールド１０４に入った冷却剤が、冷却を高めるためにこのようなチャネルを通って流れる。

【0036】

ここで図９～図１０を参照すると、パワーデバイス用空洞１２２に埋め込まれたパワーデバイスアセンブリ１１４の側面図を示している。図６に示すように、パワーエレクトロニクスデバイス１２６は、パワーデバイス用空洞１２２の上面の下に位置決めされる。これは、パワーエレクトロニクスデバイス１２６と接合層１２４との間に追加の表面積を提供することになるため、有利である。これは、パワーエレクトロニクスデバイス１２６と接合層１２４との間の優れた接合をもたらす。

【0037】

材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）が変化することにより、冷却中に、接合層１２４及びパワーエレクトロニクスデバイス１２６に力が付与される可能性がある。接合層１２４及びパワーエレクトロニクスデバイス１２６が第１の面１０６の上方に位置決めされる従来のシステムでは、接合層１２４及びパワーエレクトロニクスデバイス１２６にかかる力は、分割力である（例えば、接合層１２４とパワーエレクトロニクスデバイス１２６は、第１の面１０６に対して接線方向に互いに押しやられる）。これは、接合層１２４及びパワーエレクトロニクスデバイス１２６が強い分割力に対処することができない可能性があるため、懸案事項である。これにより、パワーエレクトロニクスデバイス１２６を接合層１２４から分離することがある。

【0038】

図１０に示すように、力を受けることに応答して、接合層１２４及びパワーエレクトロニクスデバイス１２６は圧縮力を受ける。これは、接合層１２４とパワーエレクトロニクスデバイス１２６とが、分割力と比較して、圧縮力により分離する可能性がはるかに低いため、有利である。これにより、生産中及び動作中のパワーエレクトロニクスアセンブリ１００の信頼性が向上する。

【0039】

ここで図１１を参照すると、別の実施形態による、別のパワーエレクトロニクスアセンブリ１１００の斜視図を示している。図示のように、パワーデバイスアセンブリ１１１４（例えば、パワーデバイスアセンブリ１１４など）とヒートシンク１１１０（例えば、ヒートシンク１１０など）との間の各チャネル（例えば、チャネル８０２など）は、冷却板アセンブリ１１０２（例えば、冷却板アセンブリ１０２など）の第１の面１１０と面一であるように充填される。ＰＣＢを第１の面１１０６上に印刷するために、第１の面１１０６は実質的に平坦である必要がある。表面が実質的に平坦であることにより、ＰＣＢは、パワー電子デバイスへの優れた電気的接続を実現することができ、リフロープロセスの必要性がなくなる。上記でさらに詳細に考察したように、パワーエレクトロニクスアセンブリ１１００は、その構成要素が第１の面と実質的に平坦になるように構成される。これは、第１の面１１０６を平坦にするステップ（例えば、手動又は自動充填）を減らすことになるため、有利である。

【0040】

ここで図１２を参照すると、別の実施形態による、断面Ｃ－Ｃに沿った図１１のパワーエレクトロニクスアセンブリ１１００の側面図を示している。パワーエレクトロニクスアセンブリ１１００は、第１の面１１０６上に３Ｄ印刷された絶縁層１２０６（例えば、絶縁層１２０など）を備える。絶縁層１２０６は、セラミック又は任意の他の適切な電気絶縁材料であってもよい。絶縁層１２０６の印刷中に、基板空洞１２０８（例えば、基板空洞１１２など）が絶縁層１２０６の上面に形成される。

【0041】

パワーエレクトロニクスアセンブリ１２００は、基板空洞１２０８内に３Ｄ印刷された金属層１２１０（例えば、金属基板１１８など）をさらに備える。金属層１２１０は、銅、アルミニウム又は任意の他の適切な導電性材料であってもよい。金属層１２１０が印刷された後、パワーデバイスを、金属層１２１０に焼結しても、はんだ付けしても、接着してもよい。これは、パワーエレクトロニクスアセンブリ１１００を作成するための製造ステップの数を減らすことになることになるため、有利である。さらに、絶縁層１２０６が第１の面１１０６上に直接印刷されるため、ＤＢＭ基板（例えば、ＤＢＭ基板１１６など）がもはや必要ない。

【0042】

ここで図１３を参照すると、別の実施形態によるパワーエレクトロニクスアセンブリ１３００の斜視図を示している。パワーエレクトロニクスアセンブリ１３００は、冷却板アセンブリ１３０２（例えば、冷却板アセンブリ１０２及び冷却板１２０２など）を備える。１つ又は複数のＰＣＢ１３０４を冷却板アセンブリ１３０２上に印刷する。１つ又は複数のＰＣＢ１３０４は、冷却板１２０２内に位置決めされた複数の埋め込みパワーデバイスに電気的に結合され、複数の埋め込みパワーデバイスから電力を受け取るように構成される。さらに、複数の埋め込みパワーデバイスを冷却板アセンブリ１３０２内に位置決めした結果として、パワーエレクトロニクスアセンブリ１３００は、総熱抵抗が少なくなり、冷却板アセンブリ１３０２と複数の埋め込みパワーデバイスとの間の距離が減少するため、冷却に優れている。

【0043】

いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクスアセンブリ１３００全体が３Ｄ印刷される。ヒートシンク用空洞（例えば、ヒートシンク用空洞１０８など）、基板空洞（例えば、基板空洞１１２など）及びパワーデバイス用空洞（例えば、パワーデバイス用空洞１２２など）の自己整合により、各構成要素にはそれぞれの基準点がある。これにより、アセンブリ全体で組立公差が低くなる。このため、これにより、システムのばらつきが少なくなるため、パワーエレクトロニクスアセンブリ１３００全体を３Ｄ印刷することが容易になる。

【0044】

上記から、導電層と一体化されたＤＢＭ層を有するパワーエレクトロニクスアセンブリと、自己整合機能を有する冷却板アセンブリとを対象とする実施形態を本明細書で定義していることを理解されたい。これにより、ＰＣＢを冷却板アセンブリに印刷することが容易になり、全体的な熱抵抗が減少し、冷却が改善される。

【0045】

「実質的に」及び「約」という用語は、任意の定量比較、値、測定又は他の表現に起因する可能性がある固有の不確実性の程度を表すために本明細書で使用する場合があることに留意されたい。このような用語はこのほか、問題となっている主題の基本的な機能に変化をもたらすことなく、定量的表現が、記載した基準から変化し得る程度を表すために本明細書で使用する。

【0046】

本明細書では特定の実施形態を例示し説明してきたが、特許請求される主題の範囲から逸脱することなく、他のさまざまな変更及び修正を施し得ることを理解されたい。さらに、特許請求される主題のさまざまな態様を本明細書で説明してきたが、そのような態様を組み合わせて利用する必要はない。このため、添付の特許請求の範囲は、特許請求された主題の範囲内にあるそのような変更及び修正をいずれも網羅することを意図している。

【0047】

当業者には、特許請求される主題の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に対してさまざまな修正及び変形を施すことができることが明らかであろう。このため、本明細書は、本明細書に記載したさまざまな実施形態の修正及び変形を、そのような修正及び変形が、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にある場合、網羅することを意図している。

【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】

【外国語明細書】