特表 2024-518684 パワーモジュールを製造するための方法およびパワーモジュール

(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】2024-05-02

(54)【発明の名称】パワーモジュールを製造するための方法およびパワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240424BHJP

   H01L 21/50 20060101ALI20240424BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L21/50 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023560442

(86)(22)【出願日】2022-03-24

(85)【翻訳文提出日】2023-11-27

(86)【国際出願番号】 EP2022057783

(87)【国際公開番号】W WO2022207453

(87)【国際公開日】2022-10-06

(31)【優先権主張番号】21166374.5

(32)【優先日】2021-03-31

(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】リウ，チュンレイ

(72)【発明者】

【氏名】サルバトーレ，ジョバンニ

(72)【発明者】

【氏名】シュダーラー，ユルゲン

(72)【発明者】

【氏名】モーン，ファビアン

(57)【要約】

パワーモジュール（１０）を製造するための方法は、第１のプレート（１１）を提供することと、第２のプレート（１２）を提供することと、第１のプレート（１１）上に第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１８）を配置することと、第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）を付加製造すること、または第１の数Ｎの付加製造された可撓性構造体（２３～２８）を提供することと、第１のプレート（１１）と、第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１８）と、第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）と、第２のプレート（１２）を備えるスタックを形成することとを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワーモジュール（１０）を製造するための方法であって、
第１のプレート（１１）を提供することと、
第２のプレート（１２）を提供することと、
前記第１のプレート（１１）上に第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１８）を配置することと、
第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）を提供することと、
第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）を付加製造すること、または第１の数Ｎの付加製造された可撓性構造体（２３～２８）を提供することと、
前記第１のプレート（１１）と、前記第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１８）と、前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）と、前記第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）と、前記第２のプレート（１２）とを備えるスタックを形成することと
を含み、
前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）は、前記第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）上に付加製造される、方法。

【請求項2】

前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）は、前記第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１８）の高さ差を補償するように構成される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）をばね（２９）として付加製造する、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記ばね（２９）は、コイル（３０）およびばねワッシャ（５１～５６）のスタックを含む群の形態を有する、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）を、多孔質構造体または中空構造体として付加製造する、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

非導電性材料を使用することによって前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）を付加製造する、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

オーステナイトニッケル－クロム系合金を使用することによって前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）を付加製造する、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

金属または金属合金である導電性材料を使用することによって前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）を付加製造する、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

前記第２のプレート（１２）を前記第１の数Ｎの半導体本体（１３～１８）または前記第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）に接続するために前記スタック内に配置された第１の数Ｎの導通部（３３～３８）を提供する、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

可撓性構造体（２３）を製造するための方法であって、
第１の数Ｎの実施（４３～４５）を提供することと、
前記第１の数Ｎの実施（４３～４５）上に第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）を付加製造することと
を含み、
前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）は、パワーモジュール（１０）向けに構成される、方法。

【請求項11】

パワーモジュール（１０）であって、
第１のプレート（１１）と、第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１８）と、第１の数Ｎの実施（４３～４５）と、第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）と、第２のプレート（１２）とを備えるスタックを備え、前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２８）は、前記第１の数Ｎの実施（４３～４５）上に付加製造される、パワーモジュール（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、パワーモジュールを製造するための方法、可撓性構造体を製造するための方法、およびパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

パワーモジュールは、第１のプレートと第２のプレートとの間に位置するパワー半導体本体を含む。第２のプレートとパワー半導体本体との間には、たとえば、ばねが配置される。ばねを介して第２のプレートとパワー半導体本体の第１の表面との間の良好な電気的接触を達成するために圧力が加えられ得る。ばねは、パワー半導体本体の第１の表面に適合するように設計される。しかしながら、このようなばねは、より小さいパワー半導体本体に適合するように容易に小型化することはできない。

【0003】

米国特許第６３２０２６８号明細書は、圧力によって接触が行われる半導体チップを有するパワー半導体モジュールについて言及している。接触要素は、その間にばね要素が位置する２つの平坦な接触面を有する。

【0004】

米国特許出願公開第２０２０／０１５２５９５号明細書は、圧接パワー半導体モジュールのためのばね電極に関する。

【0005】

米国特許出願公開第２０１９／０２２９０３０号明細書は、パワーモジュールおよびパワーモジュールを製造するための方法に関する。

【0006】

中国特許第１０８２８１４０５号明細書は、パワーデバイスモジュールおよびその作製方法に関する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

パワーモジュールを製造するための方法、可撓性構造体を製造するための方法、およびパワーモジュールが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

一実施形態によれば、パワーモジュールを製造するための方法は、第１のプレートを提供することと、第２のプレートを提供することと、第１のプレート上に第１の数Ｎのパワー半導体本体を配置することと、第１の数Ｎの可撓性構造体を付加製造すること、または第１の数Ｎの付加製造された可撓性構造体を提供することと、第１のプレートと、第１の数Ｎのパワー半導体本体と、第１の数Ｎの可撓性構造体と、第２のプレートを備えるスタックを形成することとを含む。

【0009】

有利には、第１の数Ｎの可撓性構造体は、小さい面積または大きい面積を有する第１の表面を有するパワー半導体本体に適合するように設計することができる。付加製造は、適切な直径および適切な可撓性を有する第１の数Ｎの可撓性構造体を製造するための汎用ツールである。

【0010】

付加製造は、３－Ｄ印刷または３Ｄ印刷とも呼ばれ得る。
さらなる実施形態によれば、付加製造は、以下の技術、すなわち、熱溶解積層法（略してＦＤＭ）、選択的レーザ焼結（略してＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（略してＳＬＭ）、電子ビーム溶融（略してＥＢＭ）、金属構造体の付加製造、または別の付加製造技術のうちの１つを使用して実施される。

【0011】

一実施形態によれば、可撓性構造体を製造するための方法は、第１の数Ｎの可撓性構造体を付加製造することを含む。第１の数Ｎの可撓性構造体は、パワーモジュール向けに構成される。

【0012】

本開示に記載の可撓性構造体を製造するための方法は、例示的に、パワーモジュールを製造するための方法に適している。したがって、可撓性構造体を製造するための方法に関連して説明した特徴および利点をパワーモジュールを製造するための方法に使用することができ、逆もまた同様である。

【0013】

一実施形態によれば、パワーモジュールは、第１のプレートと、第１の数Ｎのパワー半導体本体と、第１の数Ｎの可撓性構造体と、第２のプレートとを備えるスタックを備える。

【0014】

さらなる実施形態によれば、第１の数Ｎの可撓性構造体は、付加製造によって製造される。したがって、第１の数Ｎの可撓性構造体は、第１の数Ｎの付加製造可撓性構造体として実装される。

【0015】

有利には、第１の数Ｎの可撓性構造体によって、小さいパワー半導体本体の場合および大きいパワー半導体本体の場合にも、第２のプレートから第１の数Ｎのパワー半導体本体に圧力を加えることができる。

【0016】

一例では、可撓性構造体が変形可能構造体として実現される。したがって、第１の数Ｎの可撓性構造体は、第１の数Ｎの変形可能構造体として製造される。

【0017】

付加製造によって作成される可撓性構造体などの部品は、フライス加工、旋削加工、ねじ切り、研削、削り出し、溶接、ろう付け、線引きなど金属加工－、および射出成形などの他の技術によって製造された部品と区別することができる。付加製造によって作成された部品は、部品の内部構造および／または部品の表面をチェックすることによって認識することができる。付加製造によって作成された部品は、典型的には、表面のより高い粗度、および光学顕微鏡または電子顕微鏡（たとえば、部品の表面または断面を見る）を使用して見ることができる空洞または多孔性を有する内部構造を有する。

【0018】

一例では、第１の数Ｎの可撓性構造体のうちの正確に１つの可撓性構造体が、第１の数Ｎのパワー半導体本体のうちの１つと第２のプレートとの間に配置される。可撓性構造体は、数Ｐの部品を備えるか、または数Ｐの部品から成る。数Ｐは、１０未満または５未満である。数Ｐは、たとえば１または２である。したがって、付加製造によって実現される１つの可撓性構造体は、付加製造によって製造されないが、ともに組み立てられた多くの個々の部品によって形成される可撓性構造体と比較して、はるかに少ない部品から組み立てられる。

【0019】

上記のパワーモジュールを製造するための方法および可撓性構造体を製造するための方法は、例示的に、パワーモジュールに適している。したがって、パワーモジュールに関連して説明した特徴および利点をパワーモジュールを製造するための方法および可撓性構造体を製造するための方法に使用することができ、逆もまた同様である。

【0020】

一例では、第１の数Ｎの可撓性構造体は３Ｄ印刷部品である。第１の数Ｎの可撓性構造体は、たとえば、単一の部品ユニットとして、たとえば第２のプレート上などのプレート上に直接印刷される。有利には、多くの小さい部品が後でともに組み立てられることを回避することができる。

【0021】

さらなる実施形態によれば、パワーモジュールは、３Ｄ印刷プレスピンとして実現される可撓性構造体を組み込む。パワーモジュールは、圧接パワーモジュールとして実装されてもよい。３Ｄ印刷プレスピンは、３Ｄ印刷高さ補償器を実現する。

【0022】

さらなる実施形態によれば、装置は、たとえば高圧直流用途（略してＨＶＤＣ用途）における、または、フレキシブルＡＣ伝送システム（略してＦＡＣＴＳ）における、たとえば耐障害性を有する直列接続モジュールを備える。パワーモジュールは、３Ｄ印刷と呼ばれ得る付加製造によって可能にされる高さ補償を有するプレスピンを含む。有利には、パワーモジュールを低コストで製造することができる。パワーモジュールは、ＳｉＣチップを有する大電流パワーモジュールとして実装される。パワーモジュールは、たとえば小型ＳｉＣチップを有するＨＶＤＣ用途のための堅牢なパッケージを用いて、大電流のための剛性圧接も実現する。パワーモジュールの提案されているばねは、小型ＳｉＣチップに適合するように縮小することができる。提案されているパワーモジュールのコストは、部品数が少なく組み立てプロセスの数が少ないために削減することができる。

【0023】

さらなる実施形態によれば、第２のプレートは、上部エミッタプレートまたは上部エミッタ／ソースプレートとして実装することができる。３Ｄ印刷高さ補償器は、チップ位置への正確な位置合わせを伴って第２のプレート（またはプリフォーム）の直上の単一部品ばねアレイ（たとえば、インコネル７１８または高強度Ｃｕ合金）を可能にする。第２のプレートまたは金属プリフォームは、均一な圧力分布のための３Ｄ印刷ばね構造体を用いて実現することができ、チップ故障後に、たとえば短絡故障モード能力、略してＳＣＦＭ能力でアーキングギャップを閉じることができる。これは、電力サイクル能力または製品寿命を増大させる。第２のプレートは、ＳｉＣチップ位置に位置整合された３Ｄ印刷ばねのアレイを支持または担持する。あるいは、上部金属プリフォームは、個々のＳｉＣチップごとに３Ｄ印刷高さ補償器に取り付けられる。パワーモジュールは、バイポーラおよび／または金属酸化膜半導体モジュール（略してバイポーラ／ＭＯＳモジュール）として実装することができる。パワー半導体本体は、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、略してＩＧＢＴとして製造される。

【0024】

本開示は、パワーモジュールおよびパワーモジュールを製造するための方法のいくつかの態様を含む。それぞれの特徴が特定の態様の文脈で明示的に言及されていない場合であっても、態様の１つに関して説明されたすべての特徴は、他の態様に関しても本明細書に開示される。

【0025】

添付の図面が、さらなる理解を提供するために含まれる。図面では、同じ構造および／または機能の要素は、同じ参照符号によって参照され得る。図面に示される実施形態は例示的な表現であり、必ずしも原寸に比例して描かれていないことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】異なる実施形態のうちの１つによるパワーモジュールの断面図である。

【図2】異なる実施形態のうちの１つによるパワーモジュールの断面図である。

【図3】異なる実施形態のうちの１つによるパワーモジュールの断面図である。

【図4】異なる実施形態のうちの１つによるパワーモジュールの断面図である。

【図5A】異なる実施形態のうちの１つによる可撓性構造体を示す図である。

【図5B】異なる実施形態のうちの１つによる可撓性構造体を示す図である。

【図6】一実施形態による装置の断面図である。

【図7A】異なる実施形態のうちの１つによるパワーモジュールを作製するための方法を示す図である。

【図7B】異なる実施形態のうちの１つによるパワーモジュールを作製するための方法を示す図である。

【図7C】異なる実施形態のうちの１つによるパワーモジュールを作製するための方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図１は、一実施形態によるパワーモジュール１０の断面図を示す。パワーモジュール１０は、第１のプレート１１および第２のプレート１２と、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８とを備える。第１のプレート１１はベースプレートと呼ぶことができる。第２のプレート１２は、上部エミッタプレートまたはエミッタプレートと呼ぶことができる。その上、パワーモジュール１０は、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８を備える。図１では、スタックが形成される前のパワーモジュール１０が示されている。スタックが形成された後、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８が第１のプレート１１に取り付けられ、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８に取り付けられ、第２のプレート１２が第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８に取り付けられる。パワーモジュール１０のスタックは、第１のプレート１１／第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８／第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８／第２のプレート１２の順序を有する。

【0028】

パワー半導体本体１３は、第１の表面１９および第２の表面２０を有する。パワー半導体本体１３の第１の表面１９は、第２のプレート１２に向けられており、一方、パワー半導体本体１３の第２の表面２０は、第１のプレート１１に向けられている。第１のプレート１１は、たとえば銅またはモリブデンなどの金属である均質な材料から作成される。第２のプレート１２は、たとえば銅またはモリブデンなどの金属である均質な材料から作成される。

【0029】

第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、たとえば円筒形状を有する。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、付加製造によって多孔質構造体または中空構造体として製造される。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、第２のプレート１２上に付加製造によって製造される。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、たとえば金属または金属合金である導電性材料を使用する付加製造によって製造される。金属合金は、たとえばＣｕ合金、たとえばＣｕＮｉＳｉ合金である。したがって、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、ばね機能と電気機能の両方を実現する。

【0030】

第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８は、基板として、たとえば、炭化ケイ素、略してＳｉＣなどの、シリコンまたはワイドバンドギャップ半導体を使用して製造される。第１の数Ｎの半導体本体１３～１８のうちの１つのパワー半導体本体の面積は、１００ｍｍ^２未満、あるいは５０ｍｍ^２未満、または２５ｍｍ^２未満である。パワー半導体本体１３は、パワー半導体デバイスまたはパワー半導体チップと呼ぶことができる。たとえば、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８のうちの１つの可撓性構造体は、多孔性もしくは中空であるか、または第１のプレート１１から第２のプレート１２への方向の可撓性を可能にする何らかの微細構造を有する。

【0031】

図１に示す例では、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、スタックを形成する前に第２のプレート１２に取り付けられる。このように、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、第２のプレート１２上に製造される。また、スタックを形成する前に、またはスタックを形成するための第１のプロセスのうちの１つにおいて、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８は、たとえば、接着剤またははんだなどの図示されていない材料によって、第１のプレート１１に取り付けられる。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、たとえば、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８の第１の表面１９の中心に取り付けられるか、またはそれに向けられる。

【0032】

有利には、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８の高さ差を補償するように構成される。高さ差は、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８の厚さのばらつき、および／または、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８を第１のプレート１１に固定する材料の厚さのばらつきに起因し得る。パワーモジュール１０は高さ耐性である。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、ある程度の移動距離を許容する。

【0033】

パワーモジュール１０は、マルチチップに対して均質な圧力分布を達成する。パワーモジュール１０は、ＨＶＤＣ用途のための大電流で堅牢なパッケージとして設計されている。可撓性構造体２３は、パワー半導体本体１３が小さい場合、たとえば５ｍｍ×５ｍｍの面積を有する場合でも、パワー半導体本体１３に適合する直径を有する。図１に示すように、パワーモジュール１０は、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８を実現する３Ｄ印刷導電性ばねアレイを含む。

【0034】

図２は、図１に示す実施形態のさらなる発展形態である実施形態によるパワーモジュール１０の断面である。パワーモジュール１０は、第１の数Ｎの導通部３３～３８を含む。導通部３３は、可撓性構造体２３の一端を可撓性構造体２３の他端に結合する。したがって、スタックを取り付けて形成した後、パワー半導体本体１３の第１の表面１９は、導通部３３を介して第２のプレート１２と電気的に接続される。その結果として、第１の数Ｎの導通部３３～３８は、第１の数Ｎの半導体本体１３～１８を第２のプレート１２に電気的に接続する。第１の数Ｎの導通部３３～３８は、スタック内に配置され、第２のプレート１２からパワー半導体本体１３～１８への導電経路を提供する。第１の数Ｎの導通部３３～３８は、金属、たとえば銅から作成される。

【0035】

第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、（図１に示すように）導電性材料から、または（図２に示すように）非導電性材料から作成することができる。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、非導電性材料を使用した付加製造によって製造される。非導電性材料は、導電性でない材料または導電性が低い材料を含む。

【0036】

第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、たとえば、オーステナイトニッケル－クロム系合金またはオーステナイトクロム系超合金、たとえばインコネル合金またはインコネル合金７１８を使用することによって製造される。インコネルは、米国ニューヨーク州ニューハートフォードのＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの商標である。インコネル合金は、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって提供される。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、付加製造によってインコネル合金およびインコネル合金７１８から作成することができる。インコネルは、一般に、低い導電性を有する。

【0037】

図２に示すように、パワーモジュール１０は、追加の電流経路を有する３Ｄ印刷ばねアレイを含む。有利には、付加製造は、単一部品ばね（たとえば、インコネル ７１８、Ｃｕ合金）が正確な位置で第２のプレート１２（または下記に示すプリフォーム）上に直接配置されることを可能にする。圧接パワーモジュールプレスピンの部品数が削減される。より小さいチップサイズ（たとえばＳｉＣまたは他のワイドバンドギャップ半導体）のために、より小さいばねが可能である。パワーモジュール１０は、結果として、圧接パワーモジュールプレスピンキットの部品数（たとえば、１０～２０倍少ない部分数）およびコストを削減する。ばね材料、サイズ、幾何学的形状および特性は最適化することができる。

【0038】

一実施形態では、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は導電性材料から作成され、パワーモジュール１０は第１の数Ｎの導通部３３～３３を含む。したがって、第１の数Ｎの導通部３３～３３は、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８から第２のプレート１２までの追加の電気経路を提供する。

【0039】

図３は、図１および図２に示す実施形態のさらなる発展形態である実施形態によるパワーモジュール１０の断面である。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２５は、ばね２９として実現される。したがって、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２５の各可撓性構造体は、ばね２９として作製される。パワーモジュール１０は、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５を付加的に備える。第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５は、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１５と第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２５との間に位置している。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２５は、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５上に配置される。たとえば、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２５は、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５上に作製される。第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５は、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１５に適合するように設計されている。たとえば、実施４３～４５の横方向延在範囲は、パワー半導体本体１３～１５の表面１９よりも小さい。実施４３～４５は各々、台座として形成されていてもよい。実施４３～４５の高さは、可撓性構造体２３～２８の高さよりも低くてもよい。

【0040】

スタックは、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５をさらに備える。スタックは、スタックが第１のプレート１１と、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１５と、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５と、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２５と、第２のプレート１２とを備えるように形成される。パワーモジュール１０のスタックは、第１のプレート１１／第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１５／第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５／第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２５／第２のプレート１２の順序を有する。

【0041】

第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５は、金属等の導電性材料から作成される。第１の数Ｎの可撓性構造体は、付加製造によって第１の数Ｎのプリフォーム上に製造される。

【0042】

図３では、スタックを形成する前のパワーモジュール１０が示されている。第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８は、第１のプレート１１に取り付けられる。スタックは、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５上にすでに取り付けられているかまたは製造されている第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が、第１の数Ｎの半導体本体１３～１８の第１の表面１９に取り付けられるように形成される。第２のプレート１２は、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８に取り付けられる。図３には、３Ｄ印刷ばね構造体を有するプリフォーム４３が示されている。プリフォーム４３は、高さ補償器を担持する。

【0043】

一例では（たとえば、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２５が非導電性材料から形成される場合）、第１の数Ｎの導通部３３～３５は、スタック内に配置されて、第２のプレート１２を第１の数Ｎの半導体本体１３～１５または第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５に電気的に接続する。

【0044】

図４は、図１～図３に示す実施形態のさらなる発展形態である実施形態によるパワーモジュール１０の断面である。図４に示すように、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５は、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１５に適合するように取り付けられている。第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５は、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８の第１の表面１９に取り付けられている。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、第２のプレート１２に取り付けられる。したがって、たとえば、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が第２のプレート１２上に作製される。

【0045】

したがって、一方の側の第２のプレート１２を第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８とともに、他方の側の第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５のスタック、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８および第１のプレート１１に取り付けることによって、スタックが形成される。第２のプレート１２は、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が取り付けられるバンプまたは隆起部を含む。図４では、第２のプレート１２は、３Ｄ印刷ばね構造体を担持する。したがって、第２のプレート１２は、高さ補償器を支持する。図１～図４のパワーモジュール１０は、気密封止セラミックハウジング（図示せず）内の圧接パワーモジュールまたは圧接型モジュール内に実装することができる。

【0046】

図５Ａは、上記の実施形態のさらなる発展形態である実施形態による可撓性構造体２３である。可撓性構造体２３は、ばね２９として実現される。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、付加製造によってばね２９として製造される。ばね２９は、コイル（たとえば図３、図４および図５Ｂに示すように）およびばねワッシャ５１～５６のスタック（たとえば図５Ａに示されるように）を含む群の形態を有する。

【0047】

ばね２９は、第２の数Ｍのばねワッシャ５１～５６から成るスタックの形態を有する。第２の数Ｍは、たとえば、１よりも大きいか、または１０よりも大きい。単一のばねワッシャ５１も図５Ａに示されている。ばねワッシャ５１は平坦ではないため、ばねの効果を有する。ばねワッシャ５１は、ベルビルワッシャ、カップ型ばねワッシャ、円錐ばねワッシャ、皿ばねワッシャ、湾曲皿ばね、ウェーバワッシャおよび／または波形ばねとして実装することもできる。可撓性構造体２３は、付加製造によって製造される。したがって、ばね２９は、いくつかの単一の別個のばねワッシャから実現されるものではない。代わりに、可撓性構造体２３は、単一の部品として作製される。図５Ａには、丸みを帯びた形状を有するばね２９と、角部および縁部を有するばね２９とが示されている。

【0048】

図５Ｂは、上記の実施形態のさらなる発展形態である実施形態による可撓性構造体２３の断面である。可撓性構造体２３は、コイル３０として実現される。任意選択的に、可撓性構造体２３は、第２のプレート１２に取り付けるように構成された第１のエンドプレート３１を有する。また、任意選択的に、可撓性構造体２３は、パワー半導体本体１３の第１の表面１９またはプリフォーム４３に接続されるように構成された第２のエンドプレート３２を含む。

【0049】

図５Ａおよび図５Ｂには、１つの可撓性構造体２３の例が示されている。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８の他の可撓性構造体は、可撓性構造体２３のように実現される。付加製造によって実現することができる他の設計を、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８の作製に使用することができる。

【0050】

図６は、上記の実施形態のさらなる発展形態である実施形態による装置７０の断面である。装置７０は、第３の数Ｌのパワーモジュール１０、７１を備える。パワーモジュール１０、７１は、図１～図４に示すパワーモジュール１０のように実現することができる。さらなるパワーモジュール７１は、さらなる第１のプレート１１’およびさらなる第２のプレート１２’と、さらなる数Ｎのパワー半導体本体１３’と、さらなる数の可撓性構造体２３’とを備える。第１の数Ｎは、さらなる数と等しくてもよく、または異なってもよい。第３の数Ｌのパワーモジュール１０、７１はスタックを形成する。第３の数Ｌは、１よりも大きいか、または４よりも大きい。固定層７２が、パワーモジュール１０を隣接するパワーモジュール７１に固定する。固定層７２は、はんだまたは接着剤であってもよい。

【0051】

図７Ａは、上記の実施形態のさらなる発展形態であるパワーモジュール１０を作製するための方法の一実施形態を示す。本方法は、第１の提供プロセス１０１と、第２の提供プロセス１０２と、配置プロセス１０３と、付加製造プロセス１０４と、スタック形成プロセス１０５とを含む。一例では、プロセスは、図７Ａに示され、上に記載された順序で実施される。あるいは、一部の処理の時系列が入れ替わる。

【0052】

第１の提供プロセス１０１では、第１のプレート１１が提供される。第２の提供プロセス１０２では、第２のプレート１２が提供される。配置プロセス１０３において、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８が、たとえばはんだまたは接着剤によって第１のプレート１１に取り付けられる。付加製造プロセス１０４において、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が付加製造によって作製される。スタック形成プロセス１０５では、第２のプレート１２と、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８と、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８と、第１のプレート１１とを備えるスタックが形成される。

【0053】

付加製造プロセス１０４は、たとえば、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が付加製造によって第２のプレート１２上に製造されるように実現される。あるいは、付加製造プロセス１０４は、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が付加製造によって第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８上に製造されるように実現される。

【0054】

図７Ｂは、上述の実施形態のさらなる発展形態であるパワーモジュール１０を製造するための方法のさらなる実施形態を示す。図７Ｂによれば、本方法は、第３の提供プロセス１０６を含む。第３の提供プロセス１０６では、第１の数Ｎのプリフォーム３３～３８が提供される。さらに、本方法は、取り付けプロセス１０７を含む。取り付けプロセス１０７において、第１の数Ｎのプリフォームが、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８の第１の表面に取り付けられる。

【0055】

付加製造プロセス１０４において、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が付加製造によって第２のプレート１２上に製造される。したがって、図４に示すように、第２のプレート１２および第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８が、スタック形成プロセス１０５において、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５と、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８と、第１のプレート１１とを備えるスタックに取り付けられる。

【0056】

あるいは、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、図３に示すような第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５上に製造される。これらのプロセスの後、スタック形成プロセス１０５によってスタックが形成され、第１の数Ｎのプリフォーム４３～４５が、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８とともに、第１の数Ｎのパワー半導体本体１３～１８の第１の表面１９に最初に取り付けられ、次いで、第２のプレート１２が、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８に取り付けられる。

【0057】

図７Ｃは、上記の実施形態のさらなる発展形態であるパワーモジュール１０を製造するための方法の別の実施形態を示す。本方法は、固定プロセス１０８を提供することを含む。固定プロセス１０８では、第１の数Ｎの導通部３３～３８が提供され、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～３３に取り付けられる。さらなるプロセスは、上述のように実施することができる。本方法は、第２のプレートを第１の数Ｎの半導体本体または第１の数Ｎのプリフォームに接続するためにスタック内に配置された第１の数Ｎの導通部を提供することを含む。第１の数Ｎの導通部３３～３８は、付加製造または別のプロセスによって作製される。付加製造は、第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８および第１の数Ｎの導通部３３～３８に対して異なる材料を使用して実施される。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、たとえば、単一ステップ内で行われる多金属印刷によって作製される。第１の数Ｎの可撓性構造体２３～２８は、たとえば、第１のステップとして付加製造を用い、第２のステップとして電気めっきを用いて作製される。

【0058】

任意選択的に、本方法は、たとえば図６に示すように、第３の数Ｍのパワーモジュール１０、７１を互いに重ねて配置することを含む。

【0059】

図７Ａ～図７Ｃに示すような方法は、組み合わせることができる。時系列は図７Ａ～図７Ｃに示されている。プロセスの時系列は変更可能である。

【0060】

パワーモジュール１０は、並列な複数のパワー半導体本体１３～１８またはチップ間の均質な圧力分布のための３Ｄ印刷ばね／高さ補償器を有する圧接パワーモジュールを実現する。パワー半導体本体１３～１８またはチップは、ＳｉまたはＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体から作成される。ばね／高さ補償器は、チップ位置に位置整合された共通の第２のプレート１２上に３Ｄ印刷される。あるいは、ばね／高さ補償器は、上部金属プリフォーム４３～４５（たとえば、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｌ）上に３Ｄ印刷され、その後、組み立て中にプリフォーム４３～４５とともに挿入される。ばね２９は、追加の導電経路と組み合わされた３Ｄ印刷／付加製造によって、たとえばインコネルから作成される。あるいは、ばね２９は、機械的機能と電気的機能の両方を達成するために３Ｄ印刷による導電性高強度Ｃｕ合金から作成される。

【0061】

本開示は様々な修正および代替形態を受け入れるが、その詳細は、例として図面に示され、詳細に記載されている。しかしながら、その意図は、本開示を記載された特定の実施形態に限定することではないことを理解されたい。逆に、その意図は、添付の特許請求の範囲によって規定される本開示の範囲内に入るすべての修正、同等物、および代替物を網羅することである。

【0062】

上述の図１～図７Ｃに示す実施形態は、改善されたパワーモジュールおよびパワーモジュールを製造するための方法の例示的な実施形態を表す。したがって、それらは、改善されたパワーモジュールおよび方法によるすべての実施形態の完全なリストを構成するものではない。実際のパワーモジュールおよび方法は、たとえば、配置、デバイス、プロセスおよび層に関して示された実施形態とは異なり得る。

【符号の説明】

【0063】

参照符号
１０ パワーモジュール
１１，１１’ 第１のプレート
１２，１２’ 第２のプレート
１３～１８、１３’ パワー半導体本体
１９ 第１の表面
２０ 第２の表面
２３～２８、２３’ 可撓性構造体
２９，２９’ ばね
３０ コイル
３１，３２ エンドプレート
３３～３８ 導通部
４３～４５ プリフォーム
５１～５６ ばねワッシャ
７０ 装置
７１ パワーモジュール
７２ 固定層
１０１ 第１の提供プロセス
１０２ 第２の提供プロセス
１０３ 配置プロセス
１０４ 付加製造プロセス
１０５ スタック形成プロセス
１０６ 第３の提供プロセス
１０７ 取り付けプロセス
１０８ 固定プロセス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【手続補正書】

【提出日】2023-11-27

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワーモジュール（１０）を製造するための方法であって、
第１のプレート（１１）を提供することと、
第２のプレート（１２）を提供することと、
前記第１のプレート（１１）上に第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１５）を配置することと、
第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）を提供することと、
第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）を提供することと、
前記第１のプレート（１１）と、前記第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１５）と、前記第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）と、前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）と、前記第２のプレート（１２）とをこの順序において備えるスタックを形成することと
を含み、
前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）は、前記第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）上に付加製造され、
前記第１の数Ｎは１よりも大きく、
前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）は、前記第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１５）の高さ差を補償するように構成される、
方法。

【請求項2】

前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）をばね（２９）として付加製造する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ばね（２９）は、コイル（３０）の形態またはばねワッシャ（５１～５６）のスタックの形態を有する、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）を、多孔質構造体または中空構造体として付加製造する、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

非導電性材料を使用することによって前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）を付加製造する、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

オーステナイトニッケル－クロム系合金を使用することによって前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）を付加製造する、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

金属または金属合金である導電性材料を使用することによって前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）を付加製造する、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記第２のプレート（１２）を前記第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１５）または前記第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）に接続するために前記スタック内に配置された第１の数Ｎの導通部（３３～３５）を提供することをさらに備える、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

パワーモジュール（１０）であって、
第１のプレート（１１）と、第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１５）と、第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）と、第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）と、第２のプレート（１２）とをこの順序において備えるスタックを備え、
前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）は、前記第１の数Ｎのプリフォーム（４３～４５）上に付加製造され、前記第１の数Ｎは１よりも大きく、
前記第１の数Ｎの可撓性構造体（２３～２５）は、前記第１の数Ｎのパワー半導体本体（１３～１５）の高さ差を補償するように構成される、
パワーモジュール（１０）。

【国際調査報告】