(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】P2024059088
(43)【公開日】2024-04-30
(54)【発明の名称】パワーエレクトロニクスデバイスを組み込んだパワーエレクトロニクスアセンブリ
(51)【国際特許分類】
H01L 23/473 20060101AFI20240422BHJP
H05K 7/20 20060101ALI20240422BHJP
【FI】
H01L23/46 Z
H05K7/20 F
H05K7/20 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 2023173538
(22)【出願日】2023-10-05
(31)【優先権主張番号】17/967,425
(32)【優先日】2022-10-17
(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
(74)【代理人】
【識別番号】100167461
【弁理士】
【氏名又は名称】上木 亮平
(72)【発明者】
【氏名】フォン チョウ
(72)【発明者】
【氏名】ファン ティエンチュー
【テーマコード(参考)】
5E322
5F136
【Fターム(参考)】
5E322AA01
5E322AA05
5E322AA11
5E322AB08
5E322AB09
5E322FA01
5E322FA04
5E322FA09
5F136BB03
5F136BB11
5F136CB06
5F136DA27
5F136FA01
5F136FA23
5F136FA51
5F136GA12
5F136GA21
5F136GA37
(57)【要約】
【課題】コンパクトなパッケージサイズを維持しつつ、パワーエレクトロニクスデバイスの冷却を改善する。
【解決手段】パワーエレクトロニクスアセンブリは、回路基板アセンブリを含み、当該回路基板アセンブリは、第1の電気絶縁層と、電気絶縁基板と、第1の電気絶縁層と電気絶縁基板との間に設けられたラミネートパネルと、電気絶縁基板内に設けられた1つ以上の電気導電層と、を含む。ラミネートパネルは、Sセル及びパワーエレクトロニクスデバイスを含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む。Sセルは、グラファイト層と、グラファイト層を覆う金属層と、を含む。凹部は、金属層の外面内に形成されており、パワーエレクトロニクスデバイスは、Sセルの外面の凹部内に配置されている。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回路基板アセンブリを備えるパワーエレクトロニクスアセンブリであって、前記回路基板アセンブリは、
第1の電気絶縁層と、
電気絶縁基板と、
前記第1の電気絶縁層と前記電気絶縁基板との間に設けられたラミネートパネルと、
前記電気絶縁基板内に設けられた1つ以上の電気導電層と、
を備え、
前記ラミネートパネルは、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを備え、
前記パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、
Sセルであって、
グラファイト層と、
前記グラファイト層を覆う金属層と、
を備え、前記金属層の外面内に凹部が形成された、Sセルと、
前記Sセルの前記外面の前記凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、を備える、
パワーエレクトロニクスアセンブリ。
【請求項2】
前記ラミネートパネルは、
ラミネート材料と、
前記ラミネート材料内に組み込まれた複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリと、
を備える、
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3】
前記ラミネート材料は、FR‐4を含む、
請求項2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の電気絶縁層及び前記電気絶縁基板は各々、絶縁金属基板誘電フィルムを備える、
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】
前記回路基板アセンブリは、前記電気絶縁基板を貫いて延びて前記パワーエレクトロニクスデバイスを前記1つ以上の電気導電層に熱的に接続する、複数のビアを更に備える、
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Sセルは、前記Sセルの幅よりも大きい長さを有する、
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7】
冷却板を更に備え、前記回路基板アセンブリは、前記第1の電気絶縁層によって前記冷却板の面に接合されている、
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】
回路基板アセンブリを備えるパワーエレクトロニクスアセンブリであって、前記回路基板アセンブリは、
第1の電気絶縁層と、
電気絶縁基板と、
前記第1の電気絶縁層と前記電気絶縁基板との間に設けられたラミネートパネルであって、前記ラミネートパネルは、複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを備え、各パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、
Sセルであって、
グラファイト層と、
前記グラファイト層を覆う金属層と、
を備え、前記金属層の外面内に凹部が形成された、Sセルと、
前記Sセルの前記外面の前記凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、を備える、ラミネートパネルと、
前記電気絶縁基板内に設けられた1つ以上の電気導電層と、
前記パワーエレクトロニクスデバイスの各々を前記1つ以上の電気導電層に熱的に接続する複数のサーマルビアと、
冷却板と、
を備え、前記回路基板アセンブリに接合された各Sセルの前記金属層は、前記第1の電気絶縁層を介して前記冷却板の第1の面に接合されている、
パワーエレクトロニクスアセンブリ。
【請求項9】
前記ラミネートパネルは、ラミネート材料を備え、
前記複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、前記ラミネート材料内に組み込まれている、
請求項8に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
【請求項10】
前記ラミネート材料は、FR‐4を含む、
請求項9に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
【請求項11】
前記第1の電気絶縁層及び前記電気絶縁基板は各々、絶縁金属基板誘電フィルムを備える、
請求項8に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
【請求項12】
前記Sセルは、前記Sセルの幅よりも大きい長さを有する、
請求項5に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
【請求項13】
冷却板の第1の面上に第1の電気絶縁層を設けることと、
前記冷却板と反対側の前記第1の電気絶縁層上にラミネートパネルを設けることであって、前記ラミネートパネルは、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを備え、前記パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、
Sセルであって、
グラファイト層と、
前記グラファイト層を覆う金属層と、
を備え、前記金属層の外面内に凹部が形成された、Sセルと、
前記Sセルの前記外面の前記凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、を備える、ということと、
前記第1の電気絶縁層と反対側の前記ラミネートパネル上に第1の2層回路ペアをラミネートすることと、
前記第1の2層回路ペアを貫いてビアをレーザ穿孔することと、
前記第1の2層回路ペアを前記パワーエレクトロニクスデバイスに熱的に接続するように電気導電材料で前記ビアを充填することと、
を含む、方法。
【請求項14】
前記ラミネートパネルと反対側の前記第1の2層回路ペア上に第2の2層回路ペアをラミネートすることを更に含む、
請求項13に記載の方法。
【請求項15】
前記第2の2層回路ペアを貫いてビアをレーザ穿孔することを更に含む、
請求項14に記載の方法。
【請求項16】
前記第2の2層回路ペアを前記第1の2層回路ペアに熱的に接続するように、前記第2の2層回路ペアを貫いて延びる前記ビアを前記電気導電材料で充填することを更に含む、
請求項15に記載の方法。
【請求項17】
前記第2の2層回路ペア上に面実装エレクトロニクスを実装することを更に含む、
請求項16に記載の方法。
【請求項18】
前記第1の2層回路ペア及び前記第2の2層回路ペアは各々、ペアの電気導電層と、前記電気導電層間に位置する電気絶縁層と、を含む、
請求項14に記載の方法。
【請求項19】
前記第1の2層回路ペアの前記ペアの電気導電層及び前記第2の2層回路ペアの前記ペアの電気導電層はエッチングされる、
請求項18に記載の方法。
【請求項20】
前記ラミネートパネルは、
ラミネート材料と、
前記ラミネート材料内に組み込まれた複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリと、
を備える、
請求項13に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書は概して、パワーエレクトロニクスアセンブリに関し、より具体的には、コンパクトなパッケージサイズを達成しつつ全体的な熱抵抗が低いパワーエレクトロニクスアセンブリについての装置及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
車両においてエレクトロニクスの使用が増加しているため、エレクトロニクスシステムをよりコンパクトにする必要がある。当該エレクトロニクスシステムの構成要素の1つは、インバータ内のスイッチとして使用されるパワーエレクトロニクスデバイスである。パワーエレクトロニクスデバイスは、熱が生成されるため多くの冷却を必要とする。
【0003】
更に、従来はシリコンで構成されていたパワーエレクトロニクスデバイスは現在、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、定めるデバイス設置面積がより小さくなるため、より大きい熱流束が生じる。これらの理由などから、コンパクトなパッケージサイズを維持しつつ、パワーエレクトロニクス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は、回路基板アセンブリを含み、当該回路基板アセンブリは、第1の電気絶縁層と、電気絶縁基板と、第1の電気絶縁層と電気絶縁基板との間に設けられたラミネートパネルと、電気絶縁基板内に設けられた1つ以上の電気導電層と、を含み、ラミネートパネルは、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含み、当該パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、Sセルであって、グラファイト層と、グラファイト層を覆う金属層と、を含み、金属層の外面内に凹部が形成された、Sセルと、Sセルの外面の凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、を含む。
【0005】
別の実施形態では、パワーエレクトロニクスアセンブリは、回路基板アセンブリを含み、当該回路基板アセンブリは、第1の電気絶縁層と、電気絶縁基板と、第1の電気絶縁層と電気絶縁基板との間に設けられたラミネートパネルと、電気絶縁基板内に設けられた1つ以上の電気導電層と、パワーエレクトロニクスデバイスの各々を1つ以上の電気導電層に熱的に接続する複数のサーマルビアと、冷却板と、を含み、ラミネートパネルは、複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含み、各パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、Sセルであって、グラファイト層と、グラファイト層を覆う金属層と、を含み、金属層の外面内に凹部が形成された、Sセルと、Sセルの外面の凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、を含み、回路基板アセンブリに接合された各Sセルの金属層は、第1の電気絶縁層を介して冷却板の第1の面に接合されている。
【0006】
更に別の実施形態では、方法は、冷却板の第1の面上に第1の電気絶縁層を設けることと、冷却板と反対側の第1の電気絶縁層上にラミネートパネルを設けることであって、ラミネートパネルは、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含み、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、Sセルであって、グラファイト層と、グラファイト層を覆う金属層と、を含み、金属層の外面内に凹部が形成された、Sセルと、Sセルの外面の凹部内に配置されたパワーエレクトロニクスデバイスと、を含む、ということと、第1の電気絶縁層と反対側のラミネートパネル上に第1の2層回路ペアをラミネートすることと、第1の2層回路ペアを貫いてビアをレーザ穿孔することと、第1の2層回路ペアをパワーエレクトロニクスデバイスに熱的に接続するように電気導電材料でビアを充填することと、を含む。
【0007】
本明細書で記載される実施形態によって提供されるこれらの特徴及び追加の特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を考慮すると、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図面に記載される実施形態は本質的に、実例的で例示的なものであって、特許請求の範囲によって定められる主題を限定することを意図したものではない。以下の図面と併せて読むと、実例的な実施形態の以下の詳細な説明を理解することができ、当該図面では、同様の構造は、同様の参照番号を用いて示される。
【
図1】
図1は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、冷却板及び回路基板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組立斜視図を概略的に示す。
【
図2】
図2は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの分解斜視図を概略的に示す。
【
図3】
図3は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの冷却板の部分斜視図を概略的に示す。
【
図4】
図4は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、Sセル及びパワーエレクトロニクスデバイスを含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリの分解斜視図を概略的に示す。
【
図5】
図5は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、
図4のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリの断面図を概略的に示す。
【
図6】
図6は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、冷却板と複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含むラミネート層とを含む
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの部分斜視図を概略的に示す。
【
図7】
図7は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、回路基板アセンブリの第1の2層回路ペアを示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの分解断面図を概略的に示す。
【
図8】
図8は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、回路基板アセンブリの第1の2層回路ペアを示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【
図9】
図9は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、回路基板アセンブリの第1の2層回路ペアを貫いて形成されたビアを示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【
図10】
図10は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、
図9のビアが充填された状態を示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【
図11】
図11は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、回路基板アセンブリの第1の2層回路ペアのエッチングを示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【
図12】
図12は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、回路基板アセンブリの第2の2層回路ペアを示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの分解断面図を概略的に示す。
【
図13】
図13は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、回路基板アセンブリの第2の2層回路ペアを示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【
図14】
図14は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、回路基板アセンブリの第2の2層回路ペアを貫いて形成されたビアを示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【
図15】
図15は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、
図14のビアが充填された状態を示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【
図16】
図16は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、回路基板アセンブリの第2の2層回路ペアのエッチングを示す
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【
図17】
図17は、本明細書で記載及び説明される1つ以上の実施形態に係る、複数の面実装エレクトロニクスを含む
図1のパワーエレクトロニクスアセンブリの組立断面図を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本明細書で記載される実施形態は概して、冷却板に接続された回路基板アセンブリを有するパワーエレクトロニクスアセンブリを対象とし、回路基板アセンブリは、Sセルを含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む。パワーエレクトロニクスデバイスは、Sセル内に組み込まれ得る。
【0010】
本開示のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリは、本明細書でSセルと呼ばれる実装基板に取り付けられたパワーエレクトロニクスデバイスを備える。以下でより詳細に記載されるように、Sセルは、向上した熱拡散能力を提供するグラファイト層を含む。更に、本開示の実施形態は、パワーエレクトロニクスデバイスを冷却板から電気的に絶縁する1つ以上の電気絶縁層を含む。電気絶縁がSセル自体によって提供されるため、例えば、Sセルの電気絶縁層により、プリント回路基板と冷却板との間の電気絶縁層を除去することが可能になる。
【0011】
以下でより詳細に記載されるように、本開示のSセルは、冷却板に向かう熱流束フローを促すグラファイト層により、向上した熱特性を提供する。本明細書で記載されるSセルは、コンパクトなパッケージ内に積層金属と、グラファイトと、1つ以上の電気絶縁層と、を含む。Sセルを接合する本明細書で記載される接合材料は特に、Sセルを電気的に絶縁する能力も維持しつつ、他の接合技術に対して熱伝導性を増大させるように構成されている。本明細書で記載されるデバイス、システム、及び装置は、Sセルから冷却板への熱流束を改善し、それによって、回路基板アセンブリについての熱拡散性能及び冷却性能を増大させる。
【0012】
本明細書で記載される冷却板、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ、回路基板アセンブリ、パワーエレクトロニクスアセンブリ、及び同種のものは、電化車両、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、任意の電気モータ、発電機、産業用ツール、家庭電化製品、及び同種のものにおいて使用され得るが、これらに限定されない。本明細書で記載される様々なアセンブリは、電気モータ及び/又はバッテリに電気的に接続されてもよく、直流(DC)電力を交流(AC)電力に変換するように動作可能であるインバータ回路として構成されてもよい。
【0013】
本明細書で使用される「パワーエレクトロニクスデバイス」は、DC電力をAC電力に変換し、逆もまた同様に変換するために使用される任意の電気構成要素を意味する。実施形態は、AC‐ACコンバータ及びDC‐DCコンバータ用途においても採用され得る。パワーエレクトロニクスデバイスの非限定的な例には、パワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、サイリスタ、及びパワートランジスタが含まれる。
【0014】
本明細書で使用される「完全に組み込まれる」というフレーズは、構成要素の各面が基板によって囲まれていることを意味する。例えば、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリが回路基板によって完全に組み込まれる場合、それは、回路基板の材料が回路基板の各面を覆うことを意味する。構成要素の1つ以上の面が露出している場合、構成要素は、「部分的に組み込まれている」。
【0015】
本明細書で使用される「Sセル」は、パワーエレクトロニクスデバイスに取り付けられるように動作可能な実装基板であって、金属層、グラファイト層、及び電気絶縁層のうちの1つ以上を含む。
【0016】
パワーエレクトロニクスアセンブリ、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ、及び冷却板の様々な実施形態が以下で詳細に記載される。同じ部分又は同様の部分を指すために、可能な限り、図面全体を通じて同じ参照番号を使用する。
【0017】
ここで、
図1及び
図2を参照すると、例示的なパワーエレクトロニクスアセンブリ100が概して、組立図及び分解図でそれぞれ示されている。
図1及び
図2に示されるパワーエレクトロニクスアセンブリ100は、冷却板102と回路基板アセンブリ106とを含む。冷却板102は、回路基板アセンブリ106の基板材料に接続されたパワーエレクトロニクスデバイス140(
図4参照)から熱流束を除去することができる任意のデバイスであり得る。冷却板102についての非限定的な例には、ヒートシンク、単相液冷、2相液冷、及びベーパチャンバが含まれる。
図1及び
図2は、単相液冷デバイスとして構成された冷却板102を示す。冷却板102は、冷却板102内で流体チャンバ115(
図7)に流体接続された流体入口132及び流体出口134を含む。
図1及び
図2は、冷却板102の同じ側にある流体入口132及び流体出口134を示しているが、本開示は、このような実施形態に限定されない。すなわち、他の実施形態では、流体入口132及び流体出口134は、他の面に位置し得る。
【0018】
図1及び
図2を再び参照すると、回路基板アセンブリ106は、冷却板102の第1の面107に接続されている(例えば、取り付けられている)。
図1及び
図2は、冷却板102の貫通孔105及び回路基板アセンブリ106の貫通孔109を通って延びる締結具101(例えば、ボルト及びナット)によって冷却板102の第1の面107に取り付けられるものとして、回路基板アセンブリ106を示す。他の実施形態では、貫通孔105、109及び締結具101は、以下に記載されるように省略され得ることを理解されたい。
【0019】
実施形態では、回路基板アセンブリ106は、3Dプリント層であり得る。このような実施形態では、回路基板アセンブリ106の3Dプリント層は、全体的な熱抵抗を低減することを理解されたい。実施形態では、回路基板アセンブリ106は、冷却板102にラミネートされ得る。しかしながら、回路基板アセンブリ106を冷却板102に取り付ける他の付加製造プロセスも想定され、本開示の範囲内に含まれる。加えて、本明細書でより詳細に記載されるように、ビア接続又はビアは、回路基板アセンブリ106及びパワーエレクトロニクスデバイス140(
図4)の様々な構成要素間にレーザ穿孔を使用して作られ得る。すなわち、ビアは、回路基板アセンブリ106を貫いて各導電層及びパワーエレクトロニクスデバイス140の上面まで穿孔される。本明細書でより詳細に記載されるように、ビアは次いで、構成要素間の電気接続を確立するように電気めっき法により銅で充填される。回路基板アセンブリ106は概して、
図1及び
図2に示されているが、アセンブリの個々の層及び様々なステップは、
図6~
図17に示される。
【0020】
ここで、
図3~
図17を参照すると、パワーエレクトロニクスアセンブリ100を製造する個々のステップが示されている。
図3に示されるように、第1の電気絶縁層180は、回路基板アセンブリ106と冷却板102(
図1)との間の熱抵抗を低下させるように冷却板102の第1の面107に堆積されて示されている。第1の電気絶縁層180は概して、電気絶縁を提供する任意の層、例えば、セラミック又は同種のものであり得る。実施形態では、第1の電気絶縁層180は、絶縁金属基板(IMS)誘電フィルムを含む。IMS誘電フィルムは、固体フィルム層であり得る。他の実施形態では、第1の電気絶縁層180は、サーマルグリス層であり得る。第1の電気絶縁層180は、専用の貫通孔を有していなくてもよいことに留意されたい。
【0021】
ここで、
図4及び
図5を参照すると、それぞれ、例示的なSセル121の分解上方斜視図及び組立断面図が示されている。Sセル121は、複数の積層された層を含む。特に、
図4及び
図5に示されるSセル121は、金属層122と、金属層122内に組み込まれたグラファイト層124と、を含む。金属層122は、内面125と、内面125と反対側の外面128と、を含む。実施形態では、金属層122は、第1の金属層と第2の金属層とを含み、グラファイト層124は、第1の金属層と第2の金属層との間に位置している。金属層122は、金属層122の外面128内に配置された凹部127を含む。凹部127は、パワーエレクトロニクスデバイス140を受け入れるような寸法である。以下でより詳細に記載されるように、金属層122は、パワーエレクトロニクスデバイス140の底面における電極が(例えば、直接接続及び/又は電気接続ビアを介して)接続される電気導電面を提供する。
図4及び
図5に示されるSセル121の様々な層は単なる例示であることを理解されたい。すなわち、いくつかの実施形態では、例えば、Sセル121は、金属層間に配置される複数のグラファイト層及び/又は他の層を含み得る。
【0022】
図4及び
図5の実施形態におけるSセル121は、
図4及び
図5に示される座標軸線のz軸線に沿って対称なSセル121を提供するように金属層122内に組み込まれたグラファイト層124を含むことに留意されたい。Sセル121の対称性は、高温接合プロセス中のSセル121に対する力を均衡させる。金属層122及びグラファイト層124は、異なる熱膨張係数を有するため、接合プロセス中の熱誘起応力を均衡させるために対称的な基板スタックを有することが望ましい場合がある。
【0023】
金属層122は、任意の好適な金属又は合金で作られ得る。非限定的な例として、銅及びアルミニウムが金属層として使用され得る。Sセル121の金属層122は、その外面128内に形成された凹部127を有する。凹部127は、例えば、化学エッチングによって形成され得る。凹部127は、パワーエレクトロニクスデバイス140を受け入れるようなサイズ及び形状を有する。外面128は概して、(金属層122の第1の主要な表面又は面として構成された)内面125と反対側の金属層122の第2の主要な表面又は面であり得る。すなわち、金属層122は、平面層であり得、それによって、内面125は、グラファイト層124に面し、反対側の外面128は、パワーエレクトロニクスデバイス140及び回路基板アセンブリ106(
図7)に面する。
【0024】
図5の実施形態に示されるグラファイト層124は、Sセル121にわたる熱拡散及び冷却板102(例えば、
図7参照)に向かう熱拡散の両方を促進するために設けられている。グラファイトの結晶構造は、グラファイトに高い熱伝導性を提供し、冷却板102に向かう熱流束の伝導を有用にする。しかしながら、グラファイトは、等温プロファイルを有していない。むしろ、グラファイトは、非等温プロファイルを有し、2つの軸線に沿って高い伝導性を有し、第3の軸線において低い熱伝導性を有する。グラファイトの非等温プロファイルを考慮するために、Sセル121は、Sセル121の長さ寸法がSセル121の幅寸法よりも大きくなるような矩形形状となるように設計されている。
図5を参照して、グラファイト層124は、
図5に示される座標軸線のx軸線及びz軸線に沿って高い熱伝導性を有する。したがって、Sセル121は、Sセル121のx軸線に沿った寸法がSセル121のy軸線に沿った寸法よりも大きくなるように設計されている。熱流束は、x軸線及びz軸線に沿って移動する。以下でより詳細に記載されるように、熱流束は、Sセル121によって、冷却板102に向けてx軸線に沿って移動する。熱流束はまた、冷却板102に向けてz軸線に沿って移動する。
【0025】
図4を再び参照すると、Sセル121及びパワーエレクトロニクスデバイス140を含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146の分解図が示されている。
図4は、Sセル121の凹部127に対するパワーエレクトロニクスデバイス140及び接合層143を示す。例えば、接合層143は、はんだ層であり得る。別の例として、接合層143は、過渡液相接合層143であり得る。パワーエレクトロニクスデバイス140は、その上面に、複数の大きい電極141と複数の小さい電極142とを含む。大きい電極141は、電源電極であり得る一方、小さい電極142は、信号電極であり得る。
図4では見ることができないが、パワーエレクトロニクスデバイス140は、その底面に1つ以上の電極を更に含むことに留意されたい。パワーエレクトロニクスデバイス140の底面における1つ以上の電極は、パワーエレクトロニクスデバイス140を凹部127内に配置することによって金属層122に電気的に接続される。したがって、パワーエレクトロニクスデバイス140の底部電極への電気接続は、金属層122によって行われ得る。
【0026】
上述のように、Sセル121は、パワーエレクトロニクスデバイス140が接合される基板である。Sセル121は、パワーエレクトロニクスデバイス140の底面における電極への接続を行うための電気導電面領域を提供する。Sセル121は、熱拡散機能及び電気絶縁を更に提供する。
【0027】
ここで、
図6を参照すると、ラミネート材料202によって囲まれた1つ以上のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146を含むラミネートパネル200は、冷却板102と反対側の第1の電気絶縁層180上に設けられている。実施形態では、ラミネート材料202はFR‐4を含むが、代替的な材料が本開示の範囲内に入る。示されているように、合計6つのパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146が、第1の電気絶縁層180及びラミネート材料202を介して冷却板102に3つずつ2行に設けられ接合されている。しかしながら、用途に応じて任意の数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146が利用され得ることを理解されたい。
【0028】
ここで、
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の断面図が示されている。貯蔵部(図示せず)から(移動矢印135として示される)冷却流体は、流体入口132を通って流体チャンバ115内に流れて、温められた冷却流体として流体出口134を通って流体チャンバ115から出ていき、当該冷却流体は、例えば、熱交換器(図示せず)を通って流れ、冷却流体135から熱を除去した後、貯蔵部に返される。示されていないが、フィンのアレイは、冷却流体135への熱伝達用の追加の面領域を提供するために流体チャンバ115に設けられ得る。
【0029】
示されているように、ラミネートパネル200は、第1の電気絶縁層180と第2の電気絶縁層204との間に設けられている。第2の電気絶縁層204は、第1の電気絶縁層180と同じ材料を含み得ることを理解されたい。
【0030】
依然、
図7を参照して、第1の2層回路ペア206は、第2の電気絶縁層204の上に位置して回路基板アセンブリ106を形成するように示されている。第1の2層回路ペア206は、第1の電気導電層208及び第2の電気導電層210を含み、第1の電気導電層208及び第2の電気導電層210は、それらの間で第3の電気絶縁層212によってラミネートされている。実施形態では、第1の電気導電層208及び第2の電気導電層210は銅層である。第1の電気導電層208は、電流を導く指定パターンにエッチングされている一方、第2の電気導電層210は、エッチングされていないままである。
【0031】
ここで、
図8を参照すると、第1の2層回路ペア206は、第2の電気絶縁層204上に位置している。第1の2層回路ペア206は、高温高圧のチャンバ内で第2の電気絶縁層204にラミネートされる。このラミネーションステップ中、第2の電気絶縁層204及び第3の電気絶縁層212からの材料は、第1の電気導電層208のエッチングによって定められた隙間を充填する。
【0032】
ここで、
図9を参照すると、ビア112は、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146のパワーエレクトロニクスデバイス140、第1の電気導電層208、及び第2の電気導電層210の任意の組合せ間で延びるように形成されている。例えば、ビア112は、各パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146のパワーエレクトロニクスデバイス140と第2の電気導電層210との間で第1の電気導電層208を貫いて延びているように示されている。更に、ビア112(電気伝導ビア及びサーマルビアの両方)は、パワーエレクトロニクスデバイス140と交わることなく、第1の電気導電層208と第2の電気導電層210との間で延びているように示されている。ビア112は、例えば、レーザ穿孔などの任意の好適な方法で形成され得る。本開示の範囲は、
図9に示されるビア112の特定の構成に限定されることなく、回路基板アセンブリ106の固有の需要に基づいて他の構成が想定されることを理解されたい。
【0033】
ビア112は、スイッチング電流用の電流経路を提供するだけでなく、駆動信号をパワーエレクトロニクスデバイス140に提供し得る。いくつかの実施形態では、ビア112の一部は、駆動信号又はスイッチング電流を伝えないサーマルビアとして構成され得ることに留意されたい。加えて、Sセルの配置は、本明細書に記載されるように、Sセル121を介したパワーエレクトロニクスデバイス140から冷却板102への流束移動を可能にする。このように、熱流束は最適に、パワーエレクトロニクスデバイス140から離れる方向にSセル121を介して冷却板102に向けられる。
【0034】
ここで、
図10を参照すると、ビア112は、各パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146、第1の電気導電層208、及び第2の電気導電層210間で電気接続を形成するように電気めっきによって銅で充填されている。しかしながら、ビア112は、電気めっき以外の任意の他の好適な方法で充填され得ることを理解されたい。
【0035】
ここで、
図11を参照すると、第1の2層回路ペア206が、第2の電気絶縁層204を介してラミネートパネル200にラミネートされた後、第2の電気導電層210は、回路基板アセンブリ106の仕様に基づいて所望の構成にエッチングされ得る。回路基板アセンブリ106は、任意の数の電気導電層を含み得ることを理解されたい。例えば、回路基板アセンブリ106は、第1の電気導電層208及び第2の電気導電層210のみを含み得る。このような実施形態では、例えば、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、及び同種のものなどの(
図17に示される面実装エレクトロニクス214などの)1つ以上の面実装エレクトロニクスは、第2の電気導電層210に実装され得る。しかしながら、他の実施形態では、回路基板アセンブリ106は、複数の2層回路ペアを含み、面実装エレクトロニクスは、最上方の電気導電層に実装され得る。そうする場合、
図7~
図11に関して本明細書で記載されるステップは、各々の追加の2層回路ペアが前の2層回路ペアにラミネートされて繰り返され得る。
【0036】
例えば、ここで、
図12を参照すると、第4の電気絶縁216は、第1の2層回路ペア206の第2の電気導電層上に設けられており、第2の2層回路ペア218は、第1の2層回路ペア206の上に位置するように示されている。第2の2層回路ペア218は、第3の電気導電層220及び第4の電気導電層222を含み、第3の電気導電層220及び第4の電気導電層222は、それらの間で第5の電気絶縁層224によってラミネートされている。実施形態では、第3の電気導電層220及び第4の電気導電層222は銅層である。第3の電気導電層220は、電流を導く指定パターンにエッチングされている一方、第4の電気導電層222は、エッチングされていないままである。
【0037】
ここで、
図13を参照すると、第2の2層回路ペア218は、第1の2層回路ペア206上に位置している。第2の2層回路ペア218は、高温高圧のチャンバ内で第1の2層回路ペア206にラミネートされる。このラミネーションステップ中、第2の電気絶縁層204及び第3の電気絶縁層212からの材料は、第2の電気導電層210のエッチングによって定められた隙間を充填する。更に、第4の電気絶縁層216及び第5の電気絶縁層224からの材料は、第3の電気導電層220のエッチングによって定められた隙間を充填する。実施形態では、電気絶縁層204、212、216、224は、ラミネートパネル200、具体的には、パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146が電気絶縁基板内に設けられるように一体のモノリシックな電気絶縁基板を形成していることを理解されたい。
【0038】
ここで、
図14を参照すると、追加のビア112は、第1の電気導電層208、第2の電気導電層210、第3の電気導電層220、及び第4の電気導電層222の任意の組合せ間で延びるように形成されている。例えば、ビア112は、第2の電気導電層210と第4の電気導電層222との間で第3の電気導電層220を貫いて延びているように示されている。更に、ビア112は、パワーエレクトロニクスデバイス140、第1の電気導電層208、又は第2の電気導電層210と交わることなく、第3の電気導電層220と第4の電気導電層222との間で延びているように示されている。本明細書で記載されるように、本開示の範囲は、
図14に示されるビア112の特定の構成に限定されることなく、回路基板アセンブリ106の固有の需要に基づいて他の構成が想定されることを理解されたい。
【0039】
ここで、
図15を参照すると、本明細書で記載されるように、ビア112は、直接的に又は間接的に、各パワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146、第1の電気導電層208、第2の電気導電層210、第3の電気導電層220、及び第4の電気導電層222間の電気接続を形成するように電気めっきによって銅で充填されている。
【0040】
そして、
図16に示されるように、第2の2層回路ペア218が、第4の電気絶縁層216を介して第1の2層回路ペア206にラミネートされた後、第4の電気導電層222は、回路基板アセンブリ106の仕様に基づいて所望の構成にエッチングされ得る。
【0041】
ここで、
図17を参照すると、1つ以上の面実装エレクトロニクス214は、第4の電気導電層222に実装され得る。本明細書で記載されるように、面実装エレクトロニクス214は、例えば、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、及び同種のものを含み得る。したがって、回路基板アセンブリ106は少なくとも、複数のパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリ146を含むラミネートパネル200と、第1の2層回路ペア206と、第2の2層回路ペア218と、面実装エレクトロニクス214と、を含むことを理解されたい。
【0042】
上記から、パワーエレクトロニクスアセンブリ及びパワーエレクトロニクスアセンブリを製造する方法が本明細書で定められることを理解されたい。具体的には、本明細書で開示されるパワーエレクトロニクスアセンブリは、回路基板アセンブリを含み、当該回路基板アセンブリは、第1の電気絶縁層と、電気絶縁基板と、第1の電気絶縁層と電気絶縁基板との間に設けられたラミネートパネルと、電気絶縁基板内に設けられた1つ以上の電気導電層と、を含む。ラミネートパネルは、Sセル及びパワーエレクトロニクスデバイスを含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリを含む。Sセルは、グラファイト層と、グラファイト層を覆う金属層と、を含む。凹部は、金属層の外面内に形成されており、パワーエレクトロニクスデバイスは、Sセルの外面の凹部内に配置されている。
【0043】
ここで、本開示の実施形態は、Sセルを収容した冷却板を含むパワーエレクトロニクスデバイスアセンブリに接続された回路基板アセンブリを有するパワーエレクトロニクスアセンブリを対象とすることを理解されたい。パワーエレクトロニクスデバイスは、Sセル内及び/又は回路基板アセンブリ内に組み込まれ得る。このようなパワーエレクトロニクスアセンブリは、コンパクトであって、Sセルを電気的に絶縁する能力を維持しつつ熱伝導性の増大を提供し、それによって、Sセルから冷却板への熱流束を改善し、それによって、従来のパッケージに対する回路基板アセンブリの熱拡散性能及び冷却性能を増大させる。
【0044】
「実質的」及び「約」という用語は、任意の定量的な比較、値、測定、又は他の表現に起因し得る、内在する不確実性の程度を表すために本明細書で利用され得ることに留意されたい。これらの用語はまた、定量的な表現が、問題となる主題の基本的な機能の変化をもたらすことなく、述べられた基準から変わり得る程度を表すために本明細書で利用される。
【0045】
特定の実施形態が本明細書で説明及び記載されているが、様々な他の変更及び修正が、請求された主題の範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解されたい。更に、請求された主題の様々な態様が本明細書で記載されているが、このような態様は、組み合わされて利用される必要はない。したがって、添付の特許請求の範囲は、請求された主題の範囲内にある全てのこのような変更及び修正を包含することが意図される。
【0046】
請求された主題の範囲から逸脱することなく、本明細書で記載される実施形態に対して様々な修正及び変形がなされ得ることが当業者に明らかであろう。したがって、本明細書は、こ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で生じるならば、本明細書で記載される様々な実施形態の修正及び変形を包含することが意図される。
【外国語明細書】