特表 2024-513524 成形体を備えるパワー半導体モジュール、およびパワー半導体モジュールの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-25

(54)【発明の名称】成形体を備えるパワー半導体モジュール、およびパワー半導体モジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240315BHJP

   H01L 23/28 20060101ALI20240315BHJP

   H01L 21/56 20060101ALI20240315BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/28 K

H01L21/56 T

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023562573

(86)(22)【出願日】2022-03-29

(85)【翻訳文提出日】2023-12-08

(86)【国際出願番号】 EP2022058261

(87)【国際公開番号】W WO2022218690

(87)【国際公開日】2022-10-20

(31)【優先権主張番号】21167842.0

(32)【優先日】2021-04-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523380173

【氏名又は名称】ヒタチ・エナジー・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＨＩＴＡＣＨＩ ＥＮＥＲＧＹ ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】キチン，スラボ

(72)【発明者】

【氏名】ギヨン，ダビド

(72)【発明者】

【氏名】バイヤー，ハラルト

(72)【発明者】

【氏名】サルバトーレ，ジョバンニ

【テーマコード（参考）】

4M109

5F061

【Ｆターム（参考）】

4M109AA01

4M109BA03

4M109CA21

4M109CA22

4M109DA10

4M109DB09

4M109EA02

4M109EB11

5F061AA01

5F061BA03

5F061CA21

5F061CA22

5F061CB03

5F061DA00

(57)【要約】

パワー半導体モジュール（１０）が提供される。パワー半導体モジュール（１０）は、担体（１）と、少なくとも１つのモジュール部材（３）と、ハウジングフレーム（４）と、封入体（２）とを含み、モジュール部材（３）は、担体（１）上に配置されて、ハウジングフレーム（４）によって横方向から囲まれている。ハウジングフレーム（４）は、担体（１）上に配置されて、担体（１）およびモジュール部材（３）を越えて垂直に突き出ている。ハウジングフレーム（４）は、モジュール部材（３）が配置されるハウジングフレーム開口（４Ｃ）を有し、ハウジングフレーム開口（４Ｃ）は、封入体（２）で充填される。ハウジングフレーム（４）は、封入体（２）によって覆われない少なくとも１つの外側側面（４Ｓ）を有し、封入体（２）は成形体であり、成形体は、成形材料からなる物体であって、成形プロセスによって形成される。さらに、そのようなパワー半導体モジュール（１０）の製造方法が提供される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

担体（１）と、少なくとも１つのモジュール部材（３）と、ハウジングフレーム（４）と、封入体（２）とを備えるパワー半導体モジュール（１０）であって、
前記モジュール部材（３）は、前記担体（１）上に配置されて、前記ハウジングフレーム（４）によって横方向から囲まれており、
前記ハウジングフレーム（４）は、前記担体（１）上に配置されて、前記担体（１）および前記モジュール部材（３）を越えて垂直に突き出ており、
前記ハウジングフレーム（４）は、前記モジュール部材（３）が配置されるハウジングフレーム開口（４Ｃ）を有し、前記ハウジングフレーム開口（４Ｃ）は、前記封入体（２）で少なくとも部分的に充填され、
前記ハウジングフレーム（４）は、前記封入体（２）によって覆われない少なくとも１つの外側側面（４Ｓ）を有し、
前記封入体（２）は成形体であり、前記成形体は、成形材料からなる物体であって、成形プロセスによって形成される、パワー半導体モジュール（１０）。

【請求項2】

前記ハウジングフレーム（４）の上面（４Ａ）は、成形ツール（９）を受けるように構成される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項3】

前記ハウジングフレーム（４）の上面（４Ａ）は、成形ツール（９）への密接な接続を可能にするための１つの平面領域またはいくつかの平面領域を含む、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項4】

前記ハウジングフレーム（４）の上面（４Ａ）または上面（４Ａ）の少なくとも一部は、前記封入体（２）の材料によって覆われない、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項5】

前記担体（１）は、ベースプレートであるか、または絶縁基板を含む、先行する請求項のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項6】

前記封入体（２）は、マトリックス材料（２Ｍ）と、充填材（２Ｆ）とを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項7】

前記封入体（２）の充填材含有率は、少なくとも６０容量％または重量％である、請求項６に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項8】

前記封入体（２）の充填材含有率は、１０～６０容量％または重量％である、請求項６に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項9】

前記封入体（２）は、前記ハウジングフレーム開口（４Ｃ）内のみに位置しているか、または前記ハウジングフレーム開口（４Ｃ）内であって前記ハウジングフレーム（４）の外側ではなく前記ハウジングフレーム（４）上に部分的に位置している、先行する請求項のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項10】

前記ハウジングフレーム（４）内に部分的に組み込まれるとともに前記ハウジングフレーム開口（４Ｃ）の外側でアクセス可能である端子（５）を少なくとも備え、前記端子（５）は、外部アクセスエリア（５Ｅ）を有し、前記外部アクセスエリア（５Ｅ）は、外側からアクセス可能であり、前記ハウジングフレーム開口（４Ｃ）の外側に位置しており、電気的接続を受けるための貫通孔を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項11】

前記担体（１）は、前記パワー半導体モジュール（１０）を外部担体上に固定するためのねじを受けるように構成された少なくとも１つの担体開口（１Ｃ）を有し、前記少なくとも１つの担体開口（１Ｃ）は、前記ハウジングフレーム（４）の外側に位置している、先行する請求項のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項12】

前記封入体（２）は、前記モジュール部材（３）に直接隣接して、上面視において前記モジュール部材（３）を完全に覆い、
上面視において、前記パワー半導体モジュール（１０）の上側（１０Ａ）は、前記封入体（２）の面によって部分的に形成される、先行する請求項のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。

【請求項13】

担体（１）と、少なくとも１つのモジュール部材（３）と、ハウジングフレーム（４）とを備えるパワー半導体モジュール（１０）の製造方法であって、
前記モジュール部材（３）は、前記担体（１）上に配置されて、前記ハウジングフレーム（４）によって横方向から囲まれており、
前記ハウジングフレーム（４）は、前記担体（１）上に配置されて、前記担体（１）および前記モジュール部材（３）を越えて垂直に突き出ており、
前記ハウジングフレーム（４）は、前記モジュール部材（３）が配置されるハウジングフレーム開口（４Ｃ）を有し、
前記ハウジングフレーム（４）の上面（４Ａ）は、成形ツール（９）を受けるように構成され、
前記方法は、
前記ハウジングフレーム（４）の前記上面（４Ａ）上に前記成形ツール（９）を適用することによって、前記成形ツール（９）と前記ハウジングフレーム（４）の前記上面（４Ａ）との間の直接接触を形成するステップと、
前記成形ツール（９）を使用した成形プロセスによって封入体（２）を形成するために前記ハウジングフレーム開口（４Ｃ）を成形材料（２Ｍ，２Ｆ）で充填するステップとを備え、前記ハウジングフレーム（４）は、前記成形材料（２Ｍ，２Ｆ）によって覆われない少なくとも１つの外側側面（４Ｓ）を有し、前記成形プロセスは、射出成形、トランスファー成形、圧縮成形、またはフィルムアシスト成形プロセスである、方法。

【請求項14】

前記成形材料（２Ｍ，２Ｆ）は、マトリックス材料（２Ｍ）と、その中に組み込まれた充填材（２Ｆ）とを含み、前記充填材（２Ｆ）を含有する前記マトリックス材料（２Ｍ）は、前記充填材（２Ｆ）なしの前記マトリックス材料（２Ｍ）よりも高い粘性を有する、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記成形材料（２Ｍ，２Ｆ）を前記モジュール部材（３）上に直接適用し、上面視において前記モジュール部材（３）を完全に覆い、
上面視において、前記パワー半導体モジュール（１０）の上側（１０Ａ）を前記封入体（２）の面によって部分的に形成する、請求項１３または１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、成形体を備えるパワー半導体モジュール、およびパワー半導体モジュールの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

これまで、一般的な産業用パワー電子モジュールは、電気絶縁体としてシリコーンゲル層を利用しており、シリコーンゲル層は、パワー電子モジュールを環境的および機械的に保護するようにも作用する。シリコーンゲル層は、ポッティングプロセスを使用する最後の製造ステップのうちの１つのステップ中に形成することができる。しかしながら、パワー半導体モジュールの信頼性および環境ロバスト性に関する要求は、絶えず増加している。したがって、新たな解決策または新たなモジュール概念がパワーモジュール製造業者によって必要とされる。あるいは、モジュールは、例えばエポキシ材料などのポッティング樹脂材料からなる硬質の封入材を有していてもよい。

【0003】

文献ＵＳ ２０２０／１８５２９１ Ａ１、ＵＳ ２０２０／２１１９２１ Ａ１、ＵＳ ２０１９／３１８９９６ Ａ１、ＵＳ ２０１８／２８６７７８ Ａ１には、半導体素子およびそのような素子を製造するための製造方法が記載されている。この素子は、樹脂ケースと、その中に設置された半導体ユニットとを含み得る。樹脂ケースは、フレーム状本体と、このフレーム状本体上に配置された外部接続端子とを有し得る。樹脂ケースは、収納空間と、シーリング材料で充填されるとともにシーリング材料によって封止されたゲートとを含む。文献ＵＳ ２０２０／０９８７０１ Ａ１は、シーリング樹脂で充填されたハウジング開口を有する部材に関する。文献ＤＥ １１ ２０１７ ００８２２６ Ｔ５には、例えばシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂からなる封入材料で完全に充填されたケースを有する部材が記載されている。この文献はさらに、ケースおよび封入材料が、同時に形成される場合には成形樹脂を使用して一体成形されることが可能であることを教示している。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

本開示の実施形態は、環境的影響および外部の機械的影響に対して高いロバスト性を有する機械的に安定したパワー半導体モジュールに関する。本開示のさらなる実施形態は、簡略化された効率的なパワー半導体モジュールの製造方法に関する。

【0005】

本開示の実施形態は、先行技術における上記の欠点に全体的または部分的に対処する。パワー半導体モジュールおよびパワー半導体モジュールの製造方法のさらなる実施形態は、さらなる請求項の主題である。

【0006】

パワー半導体モジュールの実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、担体と、少なくとも１つのモジュール部材と、ハウジングフレームと、封入体とを備え、上記モジュール部材は、上記担体上に配置されて、上記ハウジングフレームによって横方向から囲まれている。上記ハウジングフレームは、上記担体上に配置されて、上記担体および上記モジュール部材を越えて垂直に突き出ている。上記ハウジングフレームは、上記モジュール部材が配置されるハウジングフレーム開口を有し、上記ハウジングフレーム開口は、上記封入体で充填される。上記ハウジングフレームは、上記封入体によって覆われない少なくとも１つの外側側面を有する。上記封入体は、成形体である。

【0007】

垂直方向は、担体の主延長面に垂直に向けられる方向を意味していると理解される。横方向は、担体の主延長面に平行な方向を意味していると理解される。垂直方向および横方向は、互いに直交している。担体は、ベースプレートまたは基板であり得る。ベースプレートは、電気伝導性または電気絶縁性の基体を有していてもよく、または、その上面および／もしくは裏面上に金属ベースと絶縁層と回路金属被覆とを備えていてもよい。基板は、上部に例えば電気絶縁体（例えば、セラミック）と回路金属被覆とを備え得る。基板の裏面には金属層も形成されてもよい。さらに、基板は、例えばはんだ付けによってベースプレート上に搭載され得る。

【0008】

成形体は、成形材料からなる物体を意味していると理解される。そのような成形体は、成形プロセスによって、例えば射出成形、トランスファー成形、圧縮成形、フィルムアシスト成形などによって形成することができる。成形プロセスは、成形ツールを使用して実行することができる。成形ツールは、例えば成形材料を提供するために使用され得る成形機または成形機の一部である。一般に、成形体は、成形プロセスとは異なるプロセスによって、例えばポッティングプロセスによって形成される樹脂体とは異なる。成形体とポッティング樹脂体との間、または成形体とポッティングプロセスによって形成された物体との間の差は、例えば剛性、材料構造または材料組成に関する特徴特性に反映され得る。そのため、成形体は、ポッティング樹脂体、すなわち樹脂材料からなる物体またはポッティングプロセスによって作られる物体ではない。成形体とポッティング樹脂とを区別する特徴は、成形プロセスを実行した後ではなくポッティングプロセスを実行した後に利用可能である成形材料のメニスカスの形成のような幾何学的特徴によって反映され得る。したがって、成形体は、メニスカス状の幾何学的構造がないであろう。

【0009】

例えば、封入体を形成するための成形材料は、電気絶縁性材料である。電気絶縁性材料は、熱硬化性材料または熱可塑性材料を含み得て、または熱硬化性材料または熱可塑性材料で構成され得る。熱硬化性材料は、エポキシ材料に基づいて作られ得る。熱可塑性材料は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）またはポリアミドイミド（ＰＡＩ）の群のうちの１つまたは複数の材料を含み得る。熱可塑性材料は、成形プロセスまたはラミネーション中に圧力および熱を加えることによって融解させることができ、冷却および圧力解放時に可逆的に硬化させることができる。

【0010】

成形材料は、ポリマー材料を含み得て、またはポリマー材料で構成され得る。成形材料は、充填または未充填ポリマー材料のうちの少なくとも１つ、例えば充填または未充填熱可塑性材料、充填または未充填熱硬化性材料、充填または未充填ラミネート、繊維強化ラミネート、繊維強化ポリマーラミネート、および充填材粒子でラミネートされた繊維強化ポリマーのうちの少なくとも１つを含み得る。

【0011】

一例として、成形体は、エポキシ材料などの電気絶縁性マトリックス材料から形成される。成形体の安定性およびロバスト性を向上させるために充填材をマトリックス材料内に組み込み得ることが可能である。充填材は、粒子の形態であってもよく、強化繊維の形態であってもよい。また、充填材は、熱膨張率（ＣＴＥ：Coefficient of Thermal Expansion）を調整するため、または封入体の熱伝導率を向上させるために使用され得る。充填材は、マトリックス材料と比較して低いまたは高い熱膨張率を有し得る。

【0012】

さらに、充填材を使用して、封入体の形成プロセス中に封入体の材料の粘性を調整することができ、その結果、封入体をハウジングフレーム開口の中に適用する方法が簡略化される。例えば、成形材料は、封入体を形成するために使用することができ、成形材料は、成形材料の粘性を向上させるために、マトリックス材料と、その中に組み込まれた充填材とを含む。言い換えれば、充填材を含有するマトリックス材料は、充填材なしのマトリックス材料よりも高い粘性を有し得る。これは、封入体の形成プロセスを簡略化するであろう。

【0013】

パワー半導体モジュールのさらなる実施形態によれば、封入体の充填材含有率は、少なくとも６０または少なくとも７０容量％または重量％である。充填材含有率は、６０～９５容量％または重量％（６０容量％または重量％および９５容量％または重量％を含む）、例えば７０～９０容量％または重量％（７０容量％または重量％および９０容量％または重量％を含む）、７０～８５容量％または重量％（７０容量％または重量％および８５容量％または重量％を含む）、７０～８０容量％または重量％（７０容量％または重量％および８０容量％または重量％を含む）、または７０～７５容量％または重量％（７０容量％または重量％および７５容量％または重量％を含む）、または６０～７５容量％または重量％（６０容量％または重量％および７５容量％または重量％を含む）であり得る。しかしながら、本開示は、封入体の充填材含有率が少なくとも６０容量％または重量％である場合に限定されるものではない。封入体の充填材含有率は、６０容量％または重量％未満、例えば１０～６０容量％または重量％、または１０～５０容量％または重量％、または１０～３０容量％または重量％であってもよい。例えば、射出成形を使用する場合、充填材含有率は、約１０容量％または重量％であってもよい。

【0014】

パワー半導体モジュールのさらなる実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、担体上に配置された複数のモジュール部材を備え、上面視において、封入体は、例えば完全にモジュール部材を覆って、モジュール部材同士の間の空間を充填して、環境的影響および外部の機械的影響からモジュール部材を保護する。横方向において、封入体は、少なくとも１つのモジュール部材または複数のモジュール部材を完全に取り囲むことができる。封入体は、電気絶縁性材料から形成される。そのような絶縁性材料は、例えば可視スペクトル範囲内の光に対して不透明な材料であり得る。しかしながら、封入体の材料は、不透明な材料に限定されるものではなく、放射透過性または部分的に放射透過性であってもよい。モジュール部材は、パワー半導体素子または搭載されたパワー半導体素子を有する基板であり得るが、それに限定されるものではない。

【0015】

パワー半導体モジュール、例えば本開示に記載されているパワー半導体モジュールの製造方法の実施形態によれば、この方法は、ハウジングフレームの上面上に成形ツールを適用することによって、成形ツールとハウジングフレームの上面との間の直接接触を形成するステップを含む。例えば、ハウジングフレームの上面は、成形ツールを受けるように構成される。ハウジングフレーム開口は、成形ツールを使用した成形プロセスによって封入体を形成するために成形材料で充填される。ハウジングフレームは、成形材料によって覆われない少なくとも１つの外側側面を有する。

【0016】

例えば、ハウジングフレームの少なくとも２つもしくは３つの外側側面または全ての外側側面は、成形材料または封入体によって覆われない。製造公差の範囲内でハウジングフレームの上面が成形材料または封入体によって覆われないことが可能である。例えば成形ツールを使用した成形プロセスによって形成される封入体は、成形体と称することができる。成形プロセスは、射出成形、トランスファー成形、フォイルアシスト成形、または他の同様の成形方法であり得る。

【0017】

この方法のさらなる実施形態によれば、成形材料は、マトリックス材料と、その中に組み込まれた充填材とを含む。例えば、充填材を含むマトリックス材料は、充填材なしのマトリックス材料よりも高い粘性を有する。成形材料の粘性の上昇により、ハウジングフレーム開口内に位置するモジュール部材上に成形材料を適用するプロセスを、簡略化された正確なやり方で実行することができる。一般に、例えば小さな間隙が存在する場合には、成形プロセスを使用することは、ポッティングプロセスを使用することよりも効果的である。なぜなら、成形プロセスは、特に、小さな間隙でさえも適切に充填することができるように圧力を加えることによって実行されるからである。

【0018】

この方法のさらなる実施形態によれば、成形材料は、モジュール部材上に直接適用され、上面視においてモジュール部材を完全に覆う。上面視において、パワー半導体モジュールの表側、すなわち上側は、封入体の面によって部分的に形成され得る。言い換えれば、パワー半導体モジュールの平面視において、封入体がパワー半導体モジュールのその他の層によって全く覆われないか、または少なくともところどころ覆われないことが可能である。少なくともハウジングフレーム開口の領域において、封入体は、パワー半導体モジュールの最外層であり得る。

【0019】

封入体は、ハウジングフレーム開口を部分的にまたは完全に充填することができる。上面視において、封入体は、ハウジングフレーム開口の底面を完全に覆うことができる。例えば、ハウジングフレーム開口の底面は、１つのモジュール部材または複数のモジュール部材を受けるように構成される。この意味において、ハウジングフレーム開口の底面は、担体の搭載エリアと称することができる。横方向において、そのような搭載エリアは、ハウジングフレームによって囲まれることにより境界を定められている。

【0020】

封入体を成形体として形成することにより、パワー半導体モジュールの信頼性および環境ロバスト性が向上する。例えば充填材が中に組み込まれた成形材料を使用することにより、封入体は、例えば環境保護、機械的ロバスト性、熱膨張率のマッチングに関する特性が向上し、または放熱に関する特性が向上する。さらに、成形プロセスを使用することにより、ポッティング材料と比較して、原材料の価格に関しても製造コストを削減することができる。

【0021】

この方法またはパワー半導体モジュールのさらなる実施形態によれば、ハウジングフレームの上面は、成形ツールを受けるように構成される。幾何学的サイズおよび構造に関して、ハウジングフレームの上面および成形ツールの接触面は、上面上の成形ツールのしっかりと調整された配置、例えば整列された配置を実現するように互いに適合され得る。例えば、上面は、成形ツールをハウジングフレームの上面にしっかりと接続することを可能にするための１つの平面領域またはいくつかの平面領域を備える。

【0022】

本開示は、パワー半導体モジュールおよびパワー半導体モジュールの製造方法のいくつかの局面をそれらの実施形態および例に基づいて含む。これらの局面のうちの１つに関して記載されるどの特徴も、たとえそれぞれの特徴が特定の局面の文脈において明示的に言及されていなくても、他の局面に関しても本明細書に開示される。例えば、本開示に記載されている方法は、ここに記載されているパワー半導体モジュールの実施形態のいずれかの製造に向けられる。そのため、パワー半導体モジュールに関連付けて記載される特徴および利点は、この方法で使用することができ、逆の場合も同様である。

【0023】

本開示は、さまざまな変形例および代替形態が可能であるが、それらの具体的内容は、例として図面に示され、詳細に記載される。しかしながら、本発明は、記載されている特定の実施形態および例に本開示を限定するものではない、ということが理解されるべきである。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の範囲に含まれる全ての変形例、等価物および代替物を包含する。

【0024】

添付の図面は、さらなる理解を提供するために含まれている。図中、同一の構造および／または機能の要素には同一の参照符号が割り当てられ得る。図面に示される例は、例示的な表現であり、必ずしも縮尺通りではない、ということが理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1A】一例に係る、パワー半導体モジュールの上面図である。

【図1B】一例に係る、封入体を形成するための成形材料を適用するステップ中のパワー半導体モジュールの断面図である。

【図1C】さらなる例に係る、封入体を備えるパワー半導体モジュールの断面図である。

【図2】さらなる例に係る、パワー半導体モジュールの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

図１Ａは、例示的な実施形態に係る、パワー半導体モジュール１０の一例の上面図である。パワー半導体モジュール１０は、担体１と、少なくとも１つのモジュール部材３と、ハウジングフレーム４とを備え、モジュール部材３は、担体１上に配置され、ハウジングフレーム４によって横方向から囲まれている。パワー半導体モジュール１０は、少なくとも２つのモジュール部材３または複数のモジュール部材３を備え得る。ハウジングフレーム４は、担体１上に配置されて、担体１およびモジュール部材３を越えて垂直に突き出ている。ハウジングフレーム４および担体１は、異なる材料から形成され得る。

【0027】

担体１は、例えば図１Ｂに示されるように基体１Ｇを備え得る。担体１または基体１Ｇの裏側は、パワー半導体モジュール１０の裏側１０Ｂを形成する。基本的には、図１Ｂは、図１Ａに示されるパワー半導体モジュール１０の断面図を示していると考えることができる。しかしながら、図１Ｂとは対照的に、分かりやすくするために、図１Ａには封入体２が示されていない。図１Ａに示される主題は、封入体２が形成される前の状態のパワー半導体モジュール１０であると考えることもできる。

【0028】

基体１Ｇは、金属または金属合金で構成され得る。例えば、基体１Ｇは、ＣｕもしくはＡｌ、または対応する合金で構成されている。代替的に、基体１Ｇは、例えばアルミニウム炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）もしくはマグネシウム炭化ケイ素（ＭｇＳｉＣ）、またはセラミック材料などの複合材料で構成されることも可能である。しかしながら、基体１Ｇは、上記の材料に限定されるものではない。

【0029】

図１Ｂにおいて、担体１は、ベースプレートとして形成され得る。ベースプレートは、基体１Ｇ、中間層１Ｉおよび／または導電層１Ｌを含む集積金属またはセラミック基板であり得る。中間層１Ｉは、例えば電気絶縁層である。

【0030】

図１Ｂから逸脱して、担体１は、基体１Ｇとして形成された絶縁基板または導電基板であってもよい。部材モジュール３は、担体１上に配置され得る。部材モジュール３は、部材基板、例えばセラミック部材基板と、半導体素子とを備え得て、部材基板は、上部および底部金属被覆層を有し得る。半導体素子は、部材基板上、例えば上部金属被覆層上に配置され得る。

【0031】

図１Ｂから逸脱して、基体１Ｇが絶縁基板であることも可能である。絶縁基板は、セラミック体または樹脂絶縁層であり得る。この場合、中間層１Ｉなしで済ますことが可能である。導電層１Ｌのうちの１つであり得る上部金属被覆層は、基体１Ｇの上面上に配置される。部材モジュール３は、上部金属被覆層上に配置され得る。任意に、裏側金属被覆層が基体１Ｇの裏側に配置されてもよい。

【0032】

図１Ｂでは、垂直方向において、中間層１Ｉは、基体１Ｇと導電層１Ｌとの間に配置されている。基体１Ｇが電気絶縁性材料から形成される場合、導電層１Ｌは、基体１Ｇ上に直接形成され得る。

【0033】

中間層１Ｉは、絶縁層または接続層であり得て、接続層の形態の中間層１Ｉは、導電層１Ｌを基体１Ｇ上に固定するために使用される。中間層１Ｉの１つの主な目的は、電気絶縁である。横方向において、導電層１Ｌは、互いに空間的に分離され得る。図１Ｂに示されるように、中間層１Ｉは、ハウジングフレーム４を担体１上、例えば基体１Ｇ上に固定するために使用することができる。中間層１Ｉは、接着材料または樹脂材料を含み得る。中間層１Ｉは、ハウジングフレーム４の取り付けに使用されてもよい。代替例として、ハウジングフレーム４が担体１上に直接形成されることが可能である。ハウジングフレーム４と担体１との間の安定的な機械的接続を硬化プロセス中に形成することができる。しかしながら、例えば接着剤のような接合材料を使用する方法、またはねじ留めおよび／もしくはシーリング層の適用のような他の方法などの、他の接合方法も可能である。

【0034】

ハウジングフレーム４は、電気絶縁性材料で構成され得る。例えば、ハウジングフレーム４は、一体の形態を有する。「一体に形成されたハウジングフレーム」は、例えば、ハウジングフレーム４が単一の部品で構成されることを意味する。例えば、ハウジングフレーム４は、例えば接続材料を使用して互いに接続された別々の部品を含まない。もっと正確に言えば、ハウジングフレーム４は、互いに一体接続された、すなわちさらなる接続材料を使用せずに接続された一体部品のみを含む。ハウジングフレーム４のそのような一体部品は、同一の材料から形成され得る。しかしながら、本開示は、ハウジングフレームが一体に形成される場合に限定されるものではない。ハウジングフレームがフレーム部分とカバー部分とを備え得て、カバー部分が下にあるフレーム部分上に形成または固定されることも可能である。

【0035】

ハウジングフレーム４は、取り囲む壁構造、例えば連続的な壁構造として担体１上に形成され得る。横方向において、ハウジングフレーム４は、担体１の全ての端縁に沿って延在している。上面視において、ハウジングフレーム４は、ハウジングフレーム開口４Ｃを有する。モジュール部材３は、ハウジングフレーム開口４Ｃ内に配置される。例えば、パワー半導体モジュール１０の全てのモジュール部材３は、ハウジングフレーム開口４Ｃ内に配置される。モジュール部材３は、電気または電子部材であり得る。そのような部材は、電子チップ、半導体チップ、埋込半導体チップ、１つもしくはいくつかのチップが配置された基板、ダイオード、Ｓｉおよび／またはＳｉＣを含む部材、ディスクリート素子（抵抗器、キャパシタ、誘導素子、および／または、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどのようなトランジスタ）のうちの１つまたは多数を備え得る。

【0036】

ハウジングフレーム開口４Ｃは、ハウジングフレーム４によって囲まれた底面１Ｍを有する。部材３は、底面１Ｍ上に固定される。部材３を底面１Ｍ上に固定するために、はんだ付け、焼結、糊付け、拡散接合、または遷移的液相接合プロセスを使用することができる。そのため、ハウジングフレーム開口４Ｃの底面１Ｍは、モジュール部材３を受けるように構成される。この意味において、底面１Ｍは、モジュール部材３のための搭載エリアと称することができる。図１Ｂに示されるように、ハウジングフレーム開口４Ｃの底面１Ｍは、中間層１Ｉの面によってところどころ形成され、および／または、導電層１Ｌの面によってところどころ形成されている。例えば、底面１Ｍは、モジュール部材３を受けるための複数の分離した接合エリアを備え、これらの分離した接合エリアは、例えば空間的に分離した導電層１Ｌの電気伝導性面であり得る。

【0037】

ハウジングフレーム開口４Ｃの外側、すなわちハウジングフレーム４の外側に、担体１は、例えば、パワー半導体モジュール１０を外部担体、例えば冷却器またはヒートシンクに固定するためのねじを受けるように構成された少なくとも１つの担体開口１Ｃを有し得る。垂直方向に沿って、担体開口１Ｃは、基体１Ｇ全体に、または担体１全体に延在し得る。そのため、ハウジングフレーム開口４Ｃの外側に位置する担体１の面は、モジュール部材３を受けるための搭載エリア１Ｍと称されるのではなく、むしろ担体１またはパワー半導体モジュール１０を外部担体に固定するためのアセンブリ面１Ｚと称される。

【0038】

図１Ａによれば、担体１は、担体１の４つの角部に配置された４つの担体開口１Ｃを有する。担体１の角部において、ハウジングフレーム４は、湾曲して担体１の担体開口１Ｃの幾何学的形状に適合される。図１Ａから逸脱して、担体開口１Ｃは、担体１の角部以外の場所に形成されてもよい。しかしながら、担体開口１Ｃは、ハウジングフレーム開口４Ｃの外側に位置する。

【0039】

そのため、パワー半導体モジュール１０の少なくとも１つの例によれば、担体１は、パワー半導体モジュール１０を例えば外部担体上に固定するための少なくとも１つのねじを受けるように構成された少なくとも１つの担体開口１Ｃまたは２つ以上の担体開口１Ｃを有する。例えば、担体開口１Ｃは全て、ハウジングフレーム４の外側に位置する。

【0040】

図１Ａに示されるように、パワー半導体モジュール１０は、例えば、モジュール部材３を例えば外部電源に電気的に接続するための少なくとも１つの端子５を備える。図１Ｂに示されるように、端子５は、ハウジングフレーム４内に部分的に組み込まれており、ハウジングフレーム４の上面４Ａ上でまたはハウジングフレーム４の外側でアクセス可能である。端子５は、外側からアクセス可能である外部アクセスエリア５Ｅを有し得て、端子５の外部アクセスエリア５Ｅは、ハウジングフレーム開口４Ｃの外側に位置する。外部アクセスエリア５Ｅは、例えば、電気的接続、例えばモジュールをバスバー、ケーブルなどに機械的に取り付けるために使用される取り付けねじを受けるための貫通孔を有し得る。通常、優れた機械的接続は、優れた電気的接続ももたらす。上面視において、外部アクセスエリア５Ｅは、ハウジングフレーム４の脇および／または担体１の基体１Ｇの脇に位置し得る。

【0041】

図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、パワー半導体モジュール１０は、複数のそのような端子５、例えば２つまたは４つまたは５つ以上のそのような端子５を有し得る。２つの異なる端子５がパワー半導体モジュール１０の異なる電気極性に割り当てられてもよい。これら２つの異なる端子５は、担体１の対向する端縁領域上に配置されてもよく、または担体１の同一の端縁領域上に配置されてもよい。さらに、制御または信号端子がモジュールハウジング内に配置され得る。

【0042】

そのため、パワー半導体モジュール１０の少なくとも１つの例によれば、パワー半導体モジュール１０は、ハウジングフレーム４内に部分的に組み込まれるとともに例えばハウジングフレーム４の上面４Ａ上でアクセス可能である少なくとも１つの端子５を備える。端子５は、外部アクセスエリア５Ｅにおいてアクセス可能である。

【0043】

ハウジングフレーム開口４Ｃ内に、端子５は、配線構造６を受けるため、例えば配線構造６の一部を受けるための内部アクセスエリア５Ｉを有し得る。配線構造６は、複数の線、例えばボンドワイヤを含み得る。配線構造６を介して、端子５の内部アクセスエリア５Ｉは、１つもしくはいくつかの導電層１Ｌおよび／または１つもしくはいくつかのモジュール部材３に電気的に接続され得る。さらに、配線構造６は、導電層１Ｌ同士および／またはモジュール部材３同士を互いに電気的に接続するために使用することができる。端子５は、パワー半導体モジュール１０のハウジングの一部である主電源または補助端子として形成され得る。端子５は、例えばワイヤボンディングまたは溶接を使用して１つもしくはいくつかの導電層１Ｌまたは１つもしくはいくつかのモジュール部材３に電気的に接続され得る。しかしながら、場合によっては、端子５は、例えばはんだ付けまたは溶接によって基板に直接接続されてもよい。さらに、端子５は、他のハウジング部品上にも配置されてもよい。さらに、端子５は、ハウジングの横側に位置するピン形状の補助または制御端子であってもよい。これらの端子は、上面の周辺領域から垂直に延在している。

【0044】

ハウジングフレーム４は、成形ツール９を受けるように構成された上面４Ａを有する。例えば、ハウジングフレーム４の上面４Ａは、パワー半導体モジュール１０の表側１０Ａ、すなわち上側１０Ａを部分的に形成する。そのため、ハウジングフレーム４の上面４Ａは、外側から自由にアクセス可能である。

【0045】

上面４Ａ、例えばハウジングフレーム４の接触面４Ｒである上面４Ａの一部は、上面４Ａ上の成形ツール９のしっかりと調整された配置、例えば整列された配置を実現するための成形ツール９の接触面のサイズおよび／または幾何学的構造に適合される。例えば、上面４Ａまたは面４Ａの接触面４Ｒは、成形ツール９の接触面とハウジングフレーム４の上面４Ａとの間の密接な接続を可能にするための１つの平面領域またはいくつかの平面領域を備える。

【0046】

上面視において、成形ツール９を受けるように構成された上面４Ａ、例えば上面４Ａの接触面４Ｒは、端子５の外部アクセスエリア５Ｅと内部アクセスエリア５Ｉとの間、および／または、外部アクセスエリア５Ｅとハウジングフレーム開口との間に延在している。言い換えれば、同一の端子５の外部アクセスエリア５Ｅおよび内部アクセスエリア５Ｉは、上面４Ａの異なる側に、またはハウジングフレーム４の上面４Ａの接触面４Ｒの異なる側に位置している。そのため、端子５の外部アクセスエリア５Ｅおよび内部アクセスエリア５Ｉは、成形ツール９が上面４Ａ上に配置されたときに損傷を受けない。上面視において、接触面４Ｒは、ハウジングフレーム開口４Ｃを完全に取り囲むことができる。

【0047】

通常、端子５の向きおよび位置により、ハウジングフレーム開口４Ｃ内に封入体２を成形体として形成することに関して、成形設備が非常に複雑になるであろう。成形プロセスは、いくつかのさらなる製造ステップを必要とするであろう。さらに、成形プロセスの高精度に関する要求を常に満たすことはできない。しかしながら、成形ツール９を受けるように構成された上面４Ａまたは接触面４Ｒを有するハウジングフレーム４を使用することにより、正確なやり方で実行することができる成形プロセスが大幅に簡略化されるであろう。

【0048】

図１Ｂは、封入体２を成形体として形成するための方法ステップを示している。成形ツール９は、ハウジングフレーム４の上面４Ａ上の予め定められた位置に、例えば接触面４Ｒ上に直接配置され得る。上面４Ａまたは接触面４Ｒのみが成形ツール９に適合されることになるので、一般的なハウジングフレーム４は、例えば成形ツール９とハウジングフレーム４との間の密接な接続を可能にするための平坦な上面を準備することによって、若干の変更のみを必要とする。この解決策は、成形プロセスがハウジングフレーム４を使用しなければ困難であるかまたは不可能に近い場合にいかなるタイプのパワー半導体モジュール１０にも適用することができる。

【0049】

図１Ｂによれば、ハウジングフレーム開口４Ｃは、成形プロセスを使用して封入体２を形成するための成形材料で充填される。ハウジングフレーム４は、担体１上に配置されて、担体１およびモジュール部材３を越えて垂直に突き出ているので、ハウジングフレーム開口４Ｃのみが成形材料で充填されることが可能である。このように形成された封入体２は、成形体と称することができる。例えば、ハウジングフレーム４の少なくとも１つ、少なくとも２つの外側側面４Ｓまたは全ての外側側面４Ｓは、封入体２の材料によって覆われない。

【0050】

この方法の一例によれば、成形材料は、マトリックス材料２Ｍと、その中に組み込まれた充填材２Ｆとを含み、充填材２Ｆを含有するマトリックス材料２Ｍは、充填材２Ｆなしのマトリックス材料２Ｍよりも高い粘性を有する。例えば、マトリックス材料２Ｍは、エポキシ材料である。充填材２Ｆを含有するマトリックス材料２Ｍは、例えばロバスト性および熱伝導率に関して、または熱膨張率の調整に関して、優れた特性を有する。成形材料または封入体２の充填材含有率は、少なくとも６０、６５、７０、または少なくとも７５容量％または重量％であり得る。

【0051】

そのため、パワー半導体モジュール１０の少なくとも１つの例によれば、封入体２は、マトリックス材料２Ｍと、充填材２Ｆとを含む。例えば、封入体２の充填材含有率は、少なくとも６０容量％または重量％である。封入体２の充填材含有率が１０～６０容量％または重量％、または１０～５０容量％または重量％であることも可能である。

【0052】

この方法の少なくとも１つの例によれば、成形材料は、モジュール部材３上に直接適用され、上面視においてモジュール部材３を完全に覆う。成形体は、ハウジングフレーム開口４Ｃの底面１Ｍを完全に覆うことができる。しかしながら、ハウジングフレーム４の外側側面４Ｓおよび／またはハウジングフレーム開口４Ｃの外側のアセンブリ面１Ｚは、成形材料がないことが可能であり、すなわち封入体２の材料がないことが可能である。ハウジングフレーム４の上面４Ａは、成形プロセス中に成形ツール９によって覆われるので、上面４Ａは、少なくとも部分的にまたは完全に、成形材料、すなわち封入体２の材料がないことが可能である。

【0053】

パワー半導体モジュール１０の少なくとも１つの例によれば、封入体２は、モジュール部材３に直接隣接しており、上面視においてモジュール部材３を完全に覆うことができる。上面視において、パワー半導体モジュール１０の上側１０Ａは、封入体２の面によって部分的に形成され得る。

【0054】

例えば、封入体２の形成は、モジュール部材３が配線された後、すなわち配線構造６が形成された後に実行される。そのため、ハウジングフレーム開口４Ｃ内に位置する端子５の内部アクセスエリア５Ｉは、少なくとも部分的にまたは完全に、封入体２の材料によって覆われることができる。ハウジングフレーム開口内の配線構造６が少なくとも部分的にまたは完全に封入体２の材料によって覆われることが可能である。

【0055】

パワー半導体モジュール１０の少なくとも１つの例によれば、封入体２は、ハウジングフレーム開口４Ｃ内に位置しているか、またはハウジングフレーム４の外側ではなくハウジングフレーム４上に部分的に位置している。例えば、上面視において、封入体２は、ハウジングフレーム開口４Ｃを完全に覆う。一般に、ハウジングフレーム開口４Ｃの外側のアセンブリ面１Ｚは、封入体２の材料によって覆われない。

【0056】

この方法の少なくとも１つの例によれば、ハウジングフレーム開口４Ｃは、部分的にまたは完全に成形材料で充填される。上面視において、パワー半導体モジュール１０の上側１０Ａは、封入体２の面によって部分的に形成される。

【0057】

垂直方向に沿って、封入体２は垂直厚み２Ｔを有し、垂直厚み２Ｔは、１ｍｍ～４０ｍｍ（１ｍｍおよび４０ｍｍを含む）、１ｍｍ～２０ｍｍ（１ｍｍおよび２０ｍｍを含む）、例えば１ｍｍ～１５ｍｍ（１ｍｍおよび１５ｍｍを含む）、１ｍｍ～１０ｍｍ（１ｍｍおよび１０ｍｍを含む）、または３ｍｍ～２０ｍｍ（３ｍｍおよび２０ｍｍを含む）、５ｍｍ～２０ｍｍ（５ｍｍおよび２０ｍｍを含む）、または５ｍｍ～１５ｍｍ（５ｍｍおよび１５ｍｍを含む）であり得る。例えば、封入体２の厚み２Ｔは、１０ｍｍ±３ｍｍである。

【0058】

ハウジングフレーム開口４Ｃが成形材料によって完全に充填される場合、封入体２の垂直厚み２Ｔは、少なくとも、ハウジングフレーム開口４Ｃの垂直深さと同程度の大きさであるか、またはハウジングフレーム開口４Ｃの垂直深さよりも大きい。後者の場合、封入体２は、ハウジングフレーム４の上面４Ａを越えて垂直に突き出ることができる。ハウジングフレーム開口４Ｃが成形材料によって部分的に充填される場合、封入体２の垂直厚み２Ｔは、ハウジングフレーム開口４Ｃの垂直深さよりも小さく、例えばハウジングフレーム開口４Ｃの垂直深さよりも４ｍｍ±２ｍｍだけ小さい。このことから逸脱して、ハウジングフレーム４のハウジングフレーム開口４Ｃが成形材料で完全に充填されることも可能であり、封入体２の垂直厚み２Ｔは、ハウジングフレーム開口４Ｃの垂直深さよりも大きい。

【0059】

図１Ｃは、成形ツール９が除去された後のパワー半導体モジュール１０の別の例を示す図である。図１Ｃに示されるパワー半導体モジュール１０は、基本的には図１Ｂに示されるパワー半導体モジュール１０に対応する。対照的に、ハウジングフレーム開口４Ｃは、封入体２によって完全に充填されない。それ以外、図１Ｂまたは図１Ａに示されるパワー半導体モジュール１０に関連付けて記載される全ての特徴は、図１Ｃに示されるパワー半導体モジュール１０に適用することができる。

【0060】

図２は、パワー半導体モジュール１０の別の例を示す図である。図２に示されるパワー半導体モジュール１０は、基本的には図１Ａ、図１Ｂまたは図１Ｃに示されるパワー半導体モジュール１０に対応する。例えば図１Ａに反して、ハウジングフレーム開口４Ｃ内の封入体２が明確に示されている。さらに、図２に示されるように、パワー半導体モジュール１０は、少なくとも１つのモジュール部材３またはモジュール部材３を１つだけ含み得る。しかしながら、パワー半導体モジュール１０が２つ以上のモジュール部材３を有することが可能である。それ以外、図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃに示されるパワー半導体モジュール１０に関連付けて記載される全ての特徴は、図２に示されるパワー半導体モジュール１０に適用することができる。

【0061】

パワー半導体モジュール１０の少なくとも１つの例によれば、ハウジングフレーム４の上面４Ａ、例えば上面４Ａの一部としての接触面４Ｒは、成形ツール９を受けるように構成されている。上面４Ａは、成形ツール９の密接な接続を可能にするための１つの平面領域またはいくつかの平面領域を含み得る。例えば、上面４Ａまたは少なくとも接触面４Ｒは、封入体２の材料によって覆われない。封入体２は、不透明な材料から作られることができ、例えば可視スペクトル範囲内の光に対して放射透過性でないように形成される。このことから逸脱して、封入体２は、放射透過性または部分的に放射透過性であってもよい。

【0062】

上記の図面に示される実施形態または例は、改良されたパワー半導体モジュールまたはパワー半導体モジュールの改良された製造方法の例示的な実施形態を示している。したがって、これらの実施形態または例は、改良されたパワー半導体モジュールまたは方法に係る全ての実施形態または例の完全なリストを構成するものではない。パワー半導体モジュールまたは方法の実際の構成は、上記の例示的な実施形態から変わる可能性がある。

【0063】

本願は、欧州特許出願ＥＰ ２１ １６７ ８４２．０の優先権を主張し、欧州特許出願ＥＰ ２１ １６７ ８４２．０の開示内容は、引用によって本明細書に援用される。

【符号の説明】

【0064】

１０ パワー半導体モジュール
１０Ａ パワー半導体モジュールの上側
１０Ｂ パワー半導体モジュールの裏側
１ 担体
１Ｃ 担体の担体開口
１Ｇ 担体の基体
１Ｉ 中間層、絶縁層、接続層
１Ｍ ハウジングフレーム開口の底面
１Ｌ 導電層
１Ｚ アセンブリ面
２ 封入体
２Ｆ 封入体の充填材
２Ｍ 封入体のマトリックス材料
２Ｔ 封入体の垂直厚み
３ モジュール部材
４ ハウジングフレーム
４Ａ ハウジングフレームの上面
４Ｃ ハウジングフレームのハウジングフレーム開口
４Ｓ ハウジングフレームの外側側面
５ 端子
５Ｅ 端子の外部アクセスエリア
５Ｉ 端子の内部アクセスエリア
６ 配線構造
９ 成形ツール

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【国際調査報告】