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特表2024-545313絶縁基板を用いた複数の半導体デバイスのモジュールアセンブリ
(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】2024-12-05
(54)【発明の名称】絶縁基板を用いた複数の半導体デバイスのモジュールアセンブリ
(51)【国際特許分類】
H01L 25/07 20060101AFI20241128BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20241128BHJP
【ＦＩ】
H01L25/04 C
H01L29/80 H
H01L29/80 G
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024537945
(86)(22)【出願日】2022-12-21
(85)【翻訳文提出日】2024-08-09
(86)【国際出願番号】 US2022082182
(87)【国際公開番号】W WO2023122694
(87)【国際公開日】2023-06-29
(31)【優先権主張番号】63/292,905
(32)【優先日】2021-12-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】510219556
【氏名又は名称】トランスフォーム テクノロジー，インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ビシ，ダビデ
(72)【発明者】
【氏名】グプタ，ギータク
(72)【発明者】
【氏名】細田 勉
(72)【発明者】
【氏名】ミシュラ，ウメシュ
【テーマコード（参考）】
5F102
【Ｆターム（参考）】
5F102FA10
5F102GA02
5F102GJ02
5F102GJ03
5F102GJ04
5F102GJ10
5F102GL04
5F102GM04
5F102GV03
5F102GV08
(57)【要約】
高熱伝導性パッケージベースを有する電子部品パッケージを備える電子部品。部品は、第１絶縁基板を有し、第１側と第２側とを有し、その第１側上に第１のＩＩＩ－Ｎ材料構造を有する第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスをさらに備える。第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスは、第２絶縁基板を有し、第１側と第２側とを有し、その第１側上に第２のＩＩＩ－Ｎ材料構造を有する。第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスの第２側は熱伝導性パッケージベースに直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられ、第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスの第２側は熱伝導性パッケージベースに直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられる。
【選択図】 図２Ａ
【選択図】 図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高熱伝導性パッケージベースを有する電子部品パッケージと、第１絶縁基板を有し、第１側と第２側とを有し、その前記第１側上に第１のＩＩＩ－Ｎ材料構造を有する第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスと、
第２絶縁基板を有し、第１側と第２側とを有し、その第１側上に第２のＩＩＩ－Ｎ材料構造を有する第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスと、を備え、
前記第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスの前記第２側は、前記パッケージベースに直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられ、前記第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスの前記第２側は前記熱伝導性パッケージベースに直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられる、電子部品。
【請求項2】
前記第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスおよび前記第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスの前記第２側にバックメタル層が配置され、前記バックメタル層は、熱伝導性はんだ、熱伝導性エポキシ、または熱伝導性はんだペーストを用いて前記熱伝導性パッケージベースに取り付けられている、請求項１に記載の部品。
【請求項3】
前記第１絶縁基板および前記第２絶縁基板は、厚さ５０μｍ超であり、破壊電圧が１２００Ｖ超のサファイア基板である、請求項１に記載の部品。
【請求項4】
前記電子部品パッケージ内にプリント基板（ＰＣＢ）をさらに備え、前記ＰＣＢが絶縁層と、第１側と、前記第１側と反対側の第２側とを備え、前記ＰＣＢの前記第１側は、前記パッケージベースに物理的に取り付けられた第１金属層を有する、請求項１に記載の部品。
【請求項5】
前記ＰＣＢの前記第２側は第２金属層を有し、前記第２金属層は、少なくとも第１部分、第２部分、および第３部分を有し、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分は、それぞれ電気的に他の部分から絶縁され、
前記第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのドレイン電極は、前記第１部分に電気的に接続され、前記第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのソース電極は、前記第２部分に電気的に接続され、前記第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのドレイン電極は、前記第２部分に電気的に接続され、前記第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのソース電極は、前記第３部分に電気的に接続されている、請求項４に記載の部品。
【請求項6】
第１縦型ＭＯＳＦＥＴデバイスをさらに備え、前記第１縦型ＭＯＳＦＥＴデバイスのドレイン電極は、前記第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのソース電極に電気的に接続され、物理的に取り付けられている、請求項４に記載の部品。
【請求項7】
第２縦型ＭＯＳＦＥＴデバイスをさらに備え、前記第２縦型ＭＯＳＦＥＴデバイスのドレイン電極は、前記第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのソース電極に電気的に接続され、物理的に取り付けられている、請求項６に記載の部品。
【請求項8】
前記ＰＣＢの前記第２側は、第２金属層を有し、前記第２金属層は、少なくとも第１部分、第２部分、および第３部分を有し、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分はそれぞれ電気的に他の部分から絶縁され、
前記第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのドレイン電極は、前記第１部分に電気的に接続され、前記第１縦型ＭＯＳＦＥＴデバイスのソース電極は、前記第２部分に電気的に接続され、前記第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのドレイン電極は、前記第２部分に電気的に接続され、前記第２縦型ＭＯＳＦＥＴデバイスのソース電極は、前記第３部分に電気的に接続されている、請求項７に記載の部品。
【請求項9】
前記ＰＣＢの前記第２側に取り付けられた抵抗器、コンデンサ、または集積回路をさらに備える、請求項５に記載の部品。
【請求項10】
前記電子部品パッケージ内にプリント基板（ＰＣＢ）をさらに備え、前記ＰＣＢは、絶縁層と、第１側と、前記第１側と反対側の第２側とを有し、前記ＰＣＢは前記パッケージベースから物理的に分離されている、請求項１に記載の部品。
【請求項11】
前記ＰＣＢの前記第２側に取り付けられた抵抗器、コンデンサ、または集積回路、および前記ＰＣＢの前記第１側に取り付けられた抵抗器、コンデンサ、または集積回路をさらに備えている、請求項１０に記載の部品。
【請求項12】
高熱伝導性パッケージベースと、前記熱伝導性パッケージベースに取り付けられた基板であって、絶縁層上に第１金属層を備え、前記第１金属層は、第１部分、第２部分、および第３部分を有し、前記基板は第１開口部および第２開口部をさらに有し、前記第１開口部および前記第２開口部において前記第１金属層および前記絶縁層を除去して前記パッケージベースの上面を露出させる、前記基板と、
前記第１開口部において前記熱伝導性パッケージベースに取り付けられた第１半導体デバイスと、
前記第２開口部において前記熱伝導性パッケージベースに取り付けられた第２半導体デバイスと、
前記パッケージベースに取り付けられ、前記基板、前記第１半導体デバイスおよび前記第２半導体デバイスを囲むパッケージカバーと、を備える電子モジュール。
【請求項13】
前記第１半導体デバイスのドレイン電極は、前記第１金属層の前記第１部分に電気的に接続され、前記第１半導体デバイスのソース電極は、前記第１金属層の前記第２部分に電気的に接続され、前記第２半導体デバイスのドレイン電極は、前記第１金属層の前記第２部分に電気的に接続され、前記第２半導体デバイスのソース電極は、前記第１金属層の前記第３部分に電気的に接続されている、請求項１２に記載の電子モジュール。
【請求項14】
前記第１金属層の前記第１部分は高電圧端子に接続され、前記第１金属層の前記第２部分は出力端子に接続され、前記第１金属層の前記第３部分は接地端子に接続されている、請求項１３に記載の電子モジュール。
【請求項15】
前記第１半導体デバイスおよび前記第２半導体デバイスはハーフブリッジ回路を形成する、請求項１４記載の電子モジュール。
【請求項16】
前記第１半導体デバイスおよび前記第２半導体デバイスは、横型ＩＩＩ－Ｎトランジスタであり、前記トランジスタのＩＩＩ－Ｎ材料構造はサファイア基板上に形成されている、請求項１３に記載の電子モジュール。
【請求項17】
第３半導体デバイスと第４半導体デバイスとをさらに備え、前記第３半導体デバイスのドレイン電極は、前記第１半導体デバイスのソース電極に取り付けられ、前記第４半導体デバイスのドレイン電極は、前記第２半導体デバイスのソース電極に取り付けられ、
前記第１半導体デバイスのドレイン電極は、前記第１金属層の前記第１部分に電気的に接続され、前記第３半導体デバイスのソース電極は、前記第１金属層の前記第２部分に電気的に接続され、前記第２半導体デバイスのドレイン電極は、前記第１金属層の前記第２部分に電気的に接続され、前記第４半導体デバイスのソース電極は、前記第１金属層の前記第３部分に電気的に接続されている、請求項１２に記載の電子モジュール。
【請求項18】
前記第１金属層の前記第１部分は高電圧端子に接続され、前記第１金属層の前記第２部分は出力端子に接続され、前記第１金属層の前記第３部分は接地端子に接続されている、請求項１７に記載の電子モジュール。
【請求項19】
前記第１半導体デバイスおよび前記第２半導体デバイスはハーフブリッジ回路を形成する、請求項１８に記載の電子モジュール。
【請求項20】
前記第１半導体デバイスおよび前記第２半導体デバイスは、横型ＩＩＩ－Ｎトランジスタであり、前記トランジスタのＩＩＩ－Ｎ材料構造は、サファイア基板上に形成され、前記第３半導体デバイスおよび前記第４半導体デバイスは、縦型シリコンＭＯＳＦＥＴトランジスタである、請求項１７に記載の電子モジュール。
【請求項21】
高熱伝導性パッケージベースと、高電圧端子と、出力端子と、接地端子と、第１のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタと、第１エンハンスメントモードトランジスタとを有する高位側スイッチと、
第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタと、第２エンハンスメントモードトランジスタとを有する低位側スイッチと、
前記基板と、前記高位側スイッチと、前記低位側スイッチとを囲むように前記パッケージベースに取り付けられたパッケージカバーと、を備え、
前記第１のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタのドレイン電極は、前記高電圧端子に電気的に接続され、前記第１エンハンスメントモードトランジスタのソース電極は、前記出力端子に電気的に接続され、前記第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタのドレイン電極は、前記出力端子に電気的に接続され、前記第２エンハンスメントモード端子のソース電極は、前記接地端子に電気的に接続され、
前記第１のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタおよび前記第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタの基板は、前記高熱伝導性パッケージベースに直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられている、電子モジュール。
【請求項22】
前記第１のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタおよび前記第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタの前記基板は、サファイア基板である、請求項２１に記載の電子モジュール。
【請求項23】
前記高位側スイッチと前記低位側スイッチは、ハーフブリッジ回路を形成する、請求項２２に記載の電子モジュール。
【請求項24】
前記第１のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタおよび前記第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタは、横型ＧａＮ ＨＥＭＴトランジスタである、請求項２３に記載の電子モジュール。
【請求項25】
前記第１エンハンスメントモードトランジスタおよび前記第２エンハンスメントモードトランジスタは、縦型シリコンＭＯＳＦＥＴトランジスタである、請求項２４に記載の電子モジュール。
【請求項26】
前記第１エンハンスメントモードトランジスタのドレインは、前記第１のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタのソースに直接物理的に取り付けられ、前記第２エンハンスメントモードトランジスタのドレインは、前記第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタのソースに直接物理的に取り付けられている、請求項２５に記載の電子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の技術は、半導体電子デバイスおよびモジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
現在、トランジスタ、ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのデバイスを有する代表的なパワー半導体デバイスは、シリコン（Ｓｉ）半導体材料で製造されている。最近では、優れた特性を持つワイドバンドギャップ材料（たとえばＩＩＩ－Ｎ）がパワーデバイスとして検討されている。ガリウムナイトライド（ＧａＮ）デバイスなどのＩＩＩ族窒化物、すなわちＩＩＩ－Ｎ半導体デバイスは、大電流を流し、高電圧に耐えることができ、スイッチング時間が短く電力損失が少ないうえにオン抵抗が非常に低いという点で、魅力的な候補として注目されている。ＧａＮパワーデバイスのコストを削減し、既存のシリコン製パワーデバイスと競争するために、ＧａＮパワーデバイスは通常、既存のシリコン製造設備と互換性の高い、導電性または半導電性のシリコン基板（GaN-on-Silicon）上に製造される。
【0003】
シリコンなどの導電性または半導電性の基板上に製造された２つ以上の半導体デバイスを有する電子モジュールは、通常、半導体デバイス間の電気的絶縁を確保するために、絶縁層（通常、ＡｌＮなどのセラミック層）を用いて直接接着銅板（すなわちＤＢＣ）またはプリント基板（ＰＣＢ）上に組み立てられる。この電気的絶縁は、モジュールの適切な動作に必要である。
【0004】
従来技術の断面図を図１に示す。図１のモジュール１００は、プラスチックまたは金属製のパッケージカバーとすることができるモジュールパッケージカバー１０を有する。モジュール１００は、高熱伝導材料（たとえば、銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属）で形成された構造パッケージベース１１を有する。パッケージカバー１０および構造パッケージベース１１は、内部電子部品を環境要素から保護するパッケージアセンブリを形成する。
【0005】
モジュール１００は、たとえば直接接着銅（ＤＢＣ）基板またはプリント基板（ＰＣＢ）とすることができる基板１２を有し、これはモジュールのベース基板となり得る。一般的に、パッケージベース１１は、パッケージカバー１０が取り付けられる層、および基板１２からさらに離れた層（ただし、基板１２自体や基板１２に近い層を除く）を有するものと考えることができる。
【0006】
簡略化のため、モジュール１００の基板１２はＤＢＣ基板である。ＤＢＣ基板は、高温溶融拡散プロセスにおいて、ＡｌＮやＡｌ２Ｏ３などのセラミック絶縁体への純銅の直接接着によって形成される。ＤＢＣ基板１２は、底部金属層１３（たとえば銅またはニッケル）と上部金属層（たとえば銅またはニッケル）の間に絶縁層１４（たとえばセラミック、ＡｌＮ、またはＡｌ２Ｏ３）を有する。上部金属層は、少なくとも第１部分１５、第２部分１６、第３部分１７、第４部分１８、および第５部分１９にパターン化されている。部分１５～１９は、ＤＢＣ１２の上部金属層を通して形成されたトレンチ２５によって、それぞれ電気的に互いに絶縁されている。
【0007】
モジュール１００はさらに、第１半導体デバイス２０および第２半導体デバイス３０を有する。デバイス２０または３０は、たとえば、縦型または横型のＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＨＥＭＴ、またはその他の適切なデバイスとすることができる。この実施形態において、図１に示す第１および第２半導体デバイス２０および３０は横型デバイスである。第１デバイス２０は、導電性または半導電性の基板２１（たとえば、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧａＮ）上に形成される。第１デバイス２０は、第１ソース電極２２および第１ドレイン電極２３を有し、接着層２４（たとえば、はんだ、エポキシまたははんだペースト）により、上部金属層１６の第２部分に取り付けられる。
【0008】
モジュール１００は、第２半導体デバイス３０をさらに有する。第２デバイス３０は、たとえば、横型または縦型のＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＨＥＭＴ、またはその他の適切なデバイスとすることができる。第２デバイス３０は、導電性または半導電性の基板３１（たとえば、Ｓｉ、ＳｉＣ、またはＧａＮ）上に形成される。第２デバイス３０は、第２ソース電極３２および第２ドレイン電極３３を有し、接着層３４（たとえば、はんだ、エポキシ、はんだペースト）により上部金属層１８の第４部分に取り付けられる。
【0009】
コネクタ４１は、第１ドレイン電極２２を上部金属層１５の第１部分と電気的に接続する。コネクタ４２は、第１ソース電極２３を上部金属層１７の第３部分と電気的に接続する。コネクタ４３は、第２ドレイン電極３２を上部金属層１７の第３部分と電気的に接続する。コネクタ４４は、第２ソース電極３３を上部金属層１９の第５部分に電気的に接続する。コネクタ４１～４４は、ワイヤボンド、銅クリップ、ワイヤリボンなどで形成することができる。第１半導体デバイス２０と第２半導体デバイス３０の電気的絶縁を確保するために、絶縁層１４がモジュール１００内で熱伝導性構造パッケージベース１１からデバイスを絶縁し、分離するために使用される。絶縁層１４の厚さは、一般的に２００μｍより大きくすることができる。
【発明の概要】
【0010】
本明細書では、絶縁基板を使用してデバイスをコンポーネントパッケージまたは電子モジュールに統合し、モジュールの熱性能を向上させる横型デバイス（たとえば、ＧａＮ ＨＥＭＴパワートランジスタ）用の統合設計について説明する。用語「デバイス」は、トランジスタ、スイッチ、ダイオードを区別する必要がない場合は、一般的にこれらのいずれにも使用される。
【0011】
第１の態様では、電子部品が記載されている。電子部品は、高熱伝導性パッケージベースを有する電子部品パッケージを有する。この部品は、第１絶縁基板を有する第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスを備え、前記第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスは、第１側と第２側とを有し、その前記第１側上に第１のＩＩＩ－Ｎ材料構造を有する。部品は、第２絶縁基板を有する第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスを備える。前記第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスは、第１側と第２側とを有し、その第１側上に第２のＩＩＩ－Ｎ材料構造を有する。前記第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスの前記第２側は、前記パッケージベースに直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられ、前記第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスの前記第２側は前記パッケージベースに直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられる。
【0012】
第２の態様では、電子モジュールが記載されている。このモジュールは、パッケージ、高熱伝導性パッケージベース、および前記パッケージベースに取り付けられた基板を有する。前記基板は絶縁層上に第１金属層を備える。前記第１金属層は、第１部分、第２部分、および第３部分を有する。前記基板は第１開口部および第２開口部をさらに有し、前記第１開口部および前記第２開口部において前記第１金属層および前記絶縁層を除去して前記パッケージベースの上面を露出させる。第１半導体デバイスは、前記第１開口部において前記パッケージベースに取り付けられ、第２半導体デバイスは、前記第２開口部において前記パッケージベースに取り付けられている。
【0013】
第３の態様では、電子モジュールが記載されている。電子モジュールは、パッケージ、熱伝導性パッケージベース、高位側スイッチ、低位側スイッチ、高電圧端子、出力端子、および接地端子を有する。高位側スイッチは、第１のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタと第１エンハンスメントモードトランジスタとを備え、低位側スイッチは、第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタと第２エンハンスメントモードトランジスタとを備える。第１のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタのドレイン電極は、高電圧端子に電気的に接続され、第１エンハンスメントモードトランジスタのソース電極は、出力端子に電気的に接続され、第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタのドレイン電極は、出力端子に電気的に接続され、第２エンハンスメントモードトランジスタのソース電極は接地端子に電気的に接続され、第１および第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタの基板は、高熱伝導性パッケージベースに直接物理的に取り付けられている。
【0014】
本明細書で説明するデバイス、トランジスタ、およびモジュールは、それぞれ以下の特徴の１つ以上を有することができる。絶縁基板はサファイア基板とすることができる。第１および第２絶縁基板はバックメタル層を有し、バックメタル層は熱伝導性はんだ、熱伝導性エポキシ、または熱伝導性はんだペーストを用いてパッケージベースに取り付けられる。プリント基板（ＰＣＢ）は部品パッケージ内とすることができ、ＰＣＢは絶縁層、第１側と、第１側と反対側の第２側を有し、ＰＣＢの第１側はパッケージベースに物理的に取り付けられた第１金属層を有する。ＰＣＢの第２側は第２金属層を有することができ、第２金属層は少なくとも第１部分、第２部分、および第３部分を有し、第１部分、第２部分、および第３部分はそれぞれ電気的に他の部分から絶縁されている。第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのドレイン電極は第１部分に電気的に接続され、第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのドレイン電極は第２部分に電気的に接続され、第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのソース電極は第２部分に電気的に接続され、第２横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのソース電極は第３部分に電気的に接続されている。第１縦型ＭＯＳＦＥＴデバイスは、ＭＯＳＦＥＴデバイスのドレイン電極が第１横型ＩＩＩ－Ｎデバイスのソース電極に電気的に接続され、物理的に取り付けられている。第２縦型ＭＯＳＦＥＴデバイスは、第２ＭＯＳＦＥＴのドレインが第２のＩＩＩ－Ｎデバイスのソースに電気的に接続され、物理的に取り付けられている。抵抗器、コンデンサ、またはＩＣがＰＣＢの第２側に取り付けられている。ＰＣＢはパッケージベースから物理的に分離されている。このデバイスは、破壊電圧が６００Ｖ超、オン抵抗が１５ｍオーム未満の高電圧デバイスとすることができる。第１金属層の第１部分は高電圧端子に接続され、第１金属層の第２部分は出力端子に接続され、第１金属層の第３部分は接地端子に接続される。電子モジュールの高位側（第１半導体デバイス）および低位側（第２半導体デバイス）スイッチは、ハーフブリッジ回路を形成することができる。高位側スイッチと低位側スイッチは、単一の電子パッケージに収容することができる。第１および第２のＩＩＩ－Ｎデプリーションモードトランジスタは、横型ＧａＮ ＨＥＭＴトランジスタである。第１および第２エンハンスメントモードトランジスタは、縦型シリコンＭＯＳＦＥＴトランジスタである。
【0015】
本明細書において、「ハイブリッドエンハンスメントモード電子デバイスまたはコンポーネント」、または単に「ハイブリッドデバイスまたはコンポーネント」とは、デプリーションモードトランジスタとエンハンスメントモードトランジスタで形成された電子デバイスまたはコンポーネントである。デプリーションモードトランジスタは、エンハンスメントモードトランジスタと比較して、より高い動作電圧および／または破壊電圧が可能であり、ハイブリッドデバイスまたはコンポーネントは、破壊電圧および／または動作電圧がデプリーションモードトランジスタとほぼ同じで、単一のエンハンスメントモードトランジスタと同様に動作するように構成されている。すなわち、ハイブリッドエンハンスメントモードデバイスまたはコンポーネントは、以下の特性を有する少なくとも３つのノードを有する。第１ノード（ソースノード）および第２ノード（ゲートノード）を同一の電圧に保持した場合、ハイブリッドエンハンスメントモードデバイスまたはコンポーネントは、ソースノードに対して第３ノード（ドレインノード）に印加される正の高電圧（すなわち、エンハンスメントモードトランジスタが遮断可能な最大電圧よりも大きな電圧）を遮断することができる。ゲートノードがソースノードに対して十分な正の電圧（すなわち、エンハンスメントモードトランジスタの閾値電圧よりも高い電圧）に保持されている場合、ソースノードに対してドレインノードに十分な正の電圧が印加されると、電流がソースノードからドレインノードへ、またはドレインノードからソースノードへ流れる。エンハンスメントモードトランジスタが低電圧デバイスで、デプリーションモードトランジスタが高電圧デバイスである場合、ハイブリッドコンポーネントは、単一の高電圧エンハンスメントモードトランジスタと同様に動作することができる。デプリーションモードトランジスタは、エンハンスメントモードトランジスタの少なくとも２倍、少なくとも３倍、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、または少なくとも２０倍の破壊電圧および／または最大動作電圧を有することができる。
【0016】
本明細書において、ＩＩＩ－窒化物またはＩＩＩ－Ｎ材料、層、デバイスなどの用語は、化学量論式ＢｗＡｌｘＩｎｙＧａｚＮに従う化合物半導体材料を有する材料またはデバイスを指し、ここで、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚは約１であり、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１である。ＩＩＩ－Ｎ材料、層、またはデバイスは、適切な基板上に直接成長させる方法（たとえば、有機金属化学気相成長法）により、または適切な基板上に成長させ、元の基板から剥離し、他の基板に結合させる方法によって形成または調製することができる。
【0017】
本明細書において、２つ以上の接点またはその他の要素（たとえば、導電性チャネルまたはコンポーネント）が「電気的に接続される」とは、いかなるバイアス条件下でも常に各接点またはその他の要素の電位が同じになるように意図されている、たとえばほぼ同じになるように伝導性が十分な材料で接続されていることをいう。
【0018】
本明細書において、「電圧遮断」とは、トランジスタ、デバイス、またはコンポーネントに電圧が印加された際に、通常の導電時の動作電流の０．００１倍を超える電流などの大きな電流がトランジスタ、デバイス、またはコンポーネントを流れるのを防ぐトランジスタ、デバイス、またはコンポーネントの能力を指す。言い換えれば、トランジスタ、デバイス、またはコンポーネントに印加された電圧を遮断している間、そのトランジスタ、デバイス、またはコンポーネントを流れる電流の合計は、通常の導電時の動作電流の０．００１倍を超えない。この値よりも大きいオフ状態電流を持つデバイスは、損失が大きく効率が低いため、多くの用途、特にpパワースイッチング用途には通常適さない。
【0019】
本明細書において、「高電圧デバイス」とは、たとえば、高電圧スイッチングトランジスタ、ＨＥＭＴ、双方向スイッチ、または４象限スイッチ（ＦＱＳ）などの、高電圧用途向けの電子デバイスを指す。すなわち、デバイスがオフ状態のとき、約３００Ｖ以上、約６００Ｖ以上、または約１２００Ｖ以上の高電圧を遮断することができ、デバイスがオン状態のとき、使用される用途において十分に低いオン抵抗（ＲＯＮ）を有し、たとえば、デバイスを流れる電流で十分に低い伝導損失となる。高電圧デバイスは、少なくとも、使用される回路の高電圧供給または最大電圧と同等の電圧を遮断できるものとすることができる。高電圧デバイスは、３００Ｖ、６００Ｖ、１２００Ｖ、１７００Ｖ、２５００Ｖの遮断、または用途に応じて要求される適切な遮断電圧が可能であるとしてもよい。言い換えれば、高電圧デバイスは、０Ｖから少なくともＶｍａｘまでの間のすべての電圧を遮断できる。ここで、Ｖｍａｘは回路または電源から供給可能な最大電圧であり、Ｖｍａｘは、たとえば３００Ｖ、６００Ｖ、１２００Ｖ、１７００Ｖ、２５００Ｖ、または用途に応じて要求されるその他の適切な遮断電圧である。双方向スイッチまたは４象限スイッチの場合、スイッチがオフのときは、遮断される電圧は、特定の最大値（たとえば±３００Ｖ、±６００Ｖ、±１２００Ｖなどの±Ｖｍａｘ）以下の任意の極性となり、スイッチがオンのとき、電流はいずれかの方向に流れる。
【0020】
本明細書において、「上方（ｏｖｅｒ）」、「下方（ｕｎｄｅｒ）」、「間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」、「上（ｏｎ）」という用語は、ある層の別の層に対する相対的位置を指す。したがって、たとえば、ある層が他の層の上方または下方に配置されている場合、その層は別の層と直接的に接触してもよいし、１つ以上の層が間に介在してもよい。さらに、２つの層の間に配置された層は、それら２つの層と直接的に接触してもよいし、１つ以上の層が間に介在してもよい。これに対して、第２層「上」の第１層は、第２層と接触する。さらに、ある層の、他の層に対する相対的位置は、基板の絶対的配向を考慮することなく、基板に対して操作が実行されることを想定して提供される。
【0021】
本明細書において、「電極」とは、デバイスのソース、ゲート、ドレインのいずれかに接続されるデバイスまたはトランジスタ内の金属層を指す。「ソースパッド、ドレインパッド、ゲートパッド」などの「パッド」とは、たとえばはんだ、エポキシ、ワイヤボンディング、および／または金属クリップを用いて、デバイスまたはトランジスタをパッケージに電気的に接続するために使用される半導体材料からなる電極の最上部の非パッシベーション部分を指す。
【0022】
本明細書において、熱伝導率の高い材料とは、１メートルケルビンあたりのワット数で測定して１を超える熱伝導率を持つ材料として定義される。
【0023】
本明細書で説明されている主題の１つ以上の開示された実装の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。実装には、追加の機能やバリエーションが含まれる場合もある。その他の機能、態様、および利点は、明細書、図面、および特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】従来技術の電子モジュールの断面図。
【0025】
【0026】
【図3】ハイブリッドＩＩＩ－Ｎデバイスを有する電子モジュールの断面図。
【0027】
【図4A】絶縁基板上に形成された半導体デバイスを有する電子モジュールの平面図。
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【図7】モノリシック集積半導体デバイスを有する電子モジュールの例示的な断面側面図。
【0034】
【図8A】フリップチップ技術を用いた電子モジュールの断面側面図。
【図8B】フリップチップ技術を用いた電子モジュールの断面側面図。
【図8C】フリップチップ技術を用いた電子モジュールの断面側面図。
【図8D】フリップチップ技術を用いた電子モジュールの断面側面図。
【0035】
【図9】３相電子モジュールの平面図。
【発明を実施するための形態】
【0036】
シリコン基板のコストが低く、シリコンと互換性のある加工装置が広く入手可能であるため、現在の業界における商業化への取り組みは、主に半導電性または導電性のシリコン基板上に横型のＩＩＩ－Ｎ半導体デバイス（たとえば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ ＨＥＭＴデバイス）を形成することに集中している。しかしながら、シリコン基板上に形成された複数の半導体デバイスを単一の電子モジュールに統合するには、デバイス間の電気的絶縁が必要であり、そのため、パワーデバイスとモジュールパッケージベースの間に電気絶縁板を追加する必要があり、熱性能が低下し得る。複数の半導体デバイスの電気的絶縁を確保するために、絶縁シムがモジュール内で熱伝導性構造パッケージベースからデバイスを絶縁し、分離するために使用される。絶縁シムの厚さは一般的に２００μｍより大きくなる。しかし、これにより半導体デバイスとモジュールパッケージの熱パッドおよび／またはヒートシンクとの間に大きな熱抵抗が生じ、モジュール性能の低下につながる。絶縁シムを薄い誘電体層（たとえばＳｉＮ）に置き換えることも仮想上は可能であるが、この場合、高い破壊電圧（たとえば１２００Ｖ超）を実現することは難しく、複数のデバイスが同じ熱伝導性パッケージベースに容量結合されるため、スイッチング性能が低下する。また、デバイス間のバックゲートクロストークは、特に図６Ａ、７および８Ｃで説明されているようなモノリシック集積デバイスでは、性能を低下させる。その結果、熱要求事項が高い用途やモジュールでは、熱抵抗を低減するために、代替のデバイス設計およびモジュール設計が必要となる。
【0037】
ＬＥＤ照明市場の最近の成功により、サファイア基板などの絶縁基板の価格が最近低下している。さらに、厚さ１００μｍ未満のサファイア基板などの薄い絶縁基板を製造する技術が利用可能になりつつある。絶縁基板上に横型ＧａＮデバイスなどの半導体デバイスを形成することによって、固有の半導電特性に起因し、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム基板などの導電性または半導電性の基板上に形成された半導体デバイスでは実現できない、新しいモジュール設計やレイアウトの検討が可能になる。これにより、絶縁基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスやトランジスタのパッケージングの複雑性を低減すると同時に、モジュール性能をさらに改善する機会が得られる。
【0038】
本明細書では、電気的および熱的性能を向上させるために、絶縁基板を使用してデバイスを電子部品パッケージ（たとえば電子モジュール）に統合する、横型デバイス（たとえばＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴデバイス）用の統合設計について説明する。これにより、パッケージングの複雑さとモジュールアセンブリの全体的なコストを同時に削減できる。本明細書では、横型デバイスとは、ソース電極とドレイン電極がデバイス基板の同じ側に形成されている半導体デバイスと定義される。
【0039】
電子モジュール２００の断面図を図２Ａに示す。モジュール２００は、プラスチック、セラミック、または金属パッケージカバーとすることができるパッケージカバー２１０と、高熱伝導性材料（たとえば、銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属）で形成された構造パッケージベース２１１とを有する。パッケージベース２１１は、均質な材料の単層とすることができる。パッケージカバー２１０と構造パッケージベース２１１は、内部電子部品を環境要素から保護するパッケージアセンブリを形成する。パッケージベース２１１は、パッケージカバー２１０が取り付けられる層、およびパッケージカバー２１０および／またはモジュール内で内部電子部品からさらに離れた側の層によって提供されるものと考えることができる。簡略化のために図示されていないが、パッケージベース２１１はヒートシンクに接続されるように構成することができる。ヒートシンクは外部に接続することができる。ヒートシンクの構成に応じて、図２Ａのモジュール２００は、上部側冷却または底部側冷却が可能である。
【0040】
モジュール２００は、第１半導体デバイス２２０と第２半導体デバイス２３０とを有する。これらのデバイス２２０または２３０は、たとえば、横型ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＨＥＭＴ、またはその他の適切なデバイスとすることができる。簡略化のため、第１および第２半導体デバイス２２０および２３０は、６００Ｖ超の電圧を遮断できる高出力ＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴデバイスであると仮定する。第１デバイス２２０は、絶縁性デバイス基板２２１（たとえばサファイア基板）の第１側に形成された（たとえば、有機金属化学気相成長炉で成長させた）ＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴ材料構造２２５を有する。第１デバイス２２０は、さらに、たとえば絶縁性デバイス基板２２１の第２側に直接接触して形成される第１裏面メタライゼーション層２２５ａを有する。第１デバイス２２０は、第１ソース電極２２２と第１ドレイン電極２２３とを有し、これらはデバイス２２０の第１側に形成される。デバイス２２０の第２側（デバイス２２０の第１側と反対側）、たとえばメタライゼーション層２２５ａは、接着層２２４（たとえば、はんだ、エポキシ、または第１裏面メタライゼーション層とともに熱リフローされるはんだペースト）を使用して、熱伝導性構造パッケージベース２１１に直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられている（すなわち、第１デバイスとパッケージベースの間に絶縁および／または絶縁シムを使用せずに）。熱リフローにより、メタライゼーション層２２５ａおよび接着層２２４が合金部分を形成する場合がある。ベース２１１上の他のデバイスには金属層２１３を使用できるが、第１および第２デバイス２２０、２３０は、このような介在層なしでベース２１１に取り付けることができる。さらに、第１デバイス２２０をパッケージベース２１１から電気的に絶縁するための介在絶縁層（たとえば、セラミック、ＡｌＮ、またはＡｌ２Ｏ３シム）はない。
【0041】
モジュール２００はさらに、第２半導体デバイス２３０を有する。第２半導体デバイス２３０は、たとえば、横型ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＨＥＭＴ、またはその他の適切なデバイスとすることができる。簡略化のため、第２半導体デバイス２３０は、６００Ｖ超の電圧を遮断できる高出力ＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴデバイスであると仮定できる。第２デバイス２３０は、絶縁デバイス基板２３１（たとえばサファイア）の第１側に形成されたＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴ材料構造２３５を有する。第２デバイス２３０はさらに、たとえば直接接触して絶縁デバイス基板２３１の第２側に形成された第２裏面メタライゼーション層２３５ａを有する。第２デバイス２３０は、さらに、第２ソース電極２３２および第２ドレイン電極２３３を有し、これらはデバイス２３０の第１側に形成される。デバイス２３０の第２側（デバイス２３０の第１側と反対側）、たとえばメタライゼーション層２３５ａは、接着層２３４（たとえば、はんだ、エポキシ、第２裏面メタライゼーション層とともに熱リフローされるはんだペースト）を使用して、熱伝導性構造パッケージベース２１１に直接的に取り付けられ、物理的に取り付けられる（すなわち、第１デバイスとパッケージベースの間に絶縁および／または絶縁シムを使用せずに）。第２デバイス２３０をパッケージベース２１１から電気的に絶縁するための介在絶縁層（たとえば、セラミック、ＡｌＮ、またはＡｌ２Ｏ３シム）または底部金属層は介在しない。
【0042】
図１を参照すると、たとえば半導体シリコンデバイス基板でデバイス２０とデバイス３０が形成されている場合、デバイス２０をデバイス３０から電気的に絶縁するために絶縁層１４（たとえばセラミック、ＡｌＮ、またはＡｌ２Ｏ３シム）が必要である。しかし、図２Ａに示すように、たとえば絶縁性のサファイアデバイス基板でデバイス２２０とデバイス２３０とを形成する場合、第１デバイス２２０および第２デバイス２３０の下では、絶縁層１４を省略することができ、第１デバイス２２０および第２デバイス２３０は、いずれも高熱伝導性パッケージベース２１１に直接物理的に取り付けられる。
【0043】
第１および第２デバイス２２０および２３０は、それぞれ、たとえば６００Ｖ超、あるいは１２００Ｖ超の高い破壊電圧を有する高出力半導体デバイスとすることができる。これらは、いくつかの異なる一般的な回路トポロジーに構成することができる。たとえば、第１デバイス２２０は低位側トランジスタとし、第２デバイス２３０は高位側トランジスタとし、第１および第２デバイスはハーフブリッジ回路を構成することができる。あるいは、第１および第２デバイス２２０および２３０は双方向スイッチ（一般に４象限スイッチまたはＦＱＳと呼ばれる）として動作するように構成することができる。さらに、本明細書で説明するモジュール２００および本明細書で後述するすべてのモジュールは、２つのデバイスに限定されるものではなく、本明細書で説明するモジュールの構成は、設計者の要求に合わせて拡張または増設できる基本構成要素として機能し得る。たとえば、本明細書で説明するモジュールには、並列に接続された２つ以上の低位側トランジスタまたは並列に接続された２つ以上の高位側トランジスタを含めることができる。さらに、本明細書で説明するデバイスは、３相インバータを形成するように構成することができる。本明細書で説明する回路およびモジュールは、回路を安全かつ効果的に動作させるために必要に応じて、コンデンサ、抵抗器、インダクタ、駆動トランジスタ、ダイオードなどの追加の電子部品を有することができる。
【0044】
絶縁デバイス基板（たとえばサファイア基板）上に製造されたデバイスは、たとえば絶縁デバイス基板の下方のＴｉ／Ｎｉ／Ａｇ層のような裏面メタライゼーション層（たとえば層２２５ａおよび２３５ａ）を有することができる。この裏面メタライゼーション層は、デバイスをコンポーネントパッケージまたは熱伝導性構造パッケージベースに物理的に取り付ける（たとえば、はんだまたはエポキシ）ために使用される。裏面メタライゼーション層は、熱リフロープロセス中に、はんだまたはエポキシと反応し、接着層２２４および２３４を形成する。
【0045】
モジュール２００は、さらに、たとえば、高温溶融拡散プロセスにおいて、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３などのセラミック絶縁体への純銅の直接接着によって形成される直接接着銅（ＤＢＣ）基板、またはプリント基板（ＰＣＢ）とすることができる基板２１２を有するが、ＰＣＢは製造コストが低いという利点がある。簡略化のため、モジュール２００の基板２１２はプリント基板である。プリント基板２１２は、はんだまたはエポキシで熱伝導性パッケージベース２１１に物理的に取り付けられるバックメタル層２１３を有する。
【0046】
ＰＣＢ２１２は少なくとも３つの部分を有することができる。いくつかの実装では、部分は、ＰＣＢをパターニングによって、第１および第２デバイス２２０および２３０が位置するＰＣＢの１つ以上の領域を除去することによって形成される。たとえば、１つ以上の開口部、たとえば２つの開口部２１２ａ、２１２ｂ（デバイス２２０および２３０のそれぞれに１つの開口部）を、ＰＣＢ２１２を通して形成することができる。第１半導体デバイス２２０および第２半導体デバイス２３０の下にあるこれらの領域を取り除くことで、基板２１２が取り除かれた領域で熱伝導性パッケージベース２１１の上面が露出する。
【0047】
ＰＣＢ２１２の第１部分は、底部金属層２１３（たとえば、銅またはニッケル）と上部金属層２１５（たとえば、銅またはニッケル）の間に絶縁層２１４ａ（たとえば、セラミック、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３）を有する。ＰＣＢ２１２の第１部分の上部金属層２１５は、モジュール２００の接地ノードに接続されるように構成することができる。ＰＣＢ２１２の第２部分は、底部金属層２１３と上部金属層２１７との間に絶縁層２１４ｂを有する。ＰＣＢ２１２の第２部分の上部金属層２１７は、モジュール２００の出力ノードに接続されるように構成することができる。ＰＣＢ１２の第２部分の上部金属層２１７は、第１デバイス２２０と第２デバイス２３０との間に形成することができる。ＰＣＢ２１２の第３部分は、底部金属層２１３と上部金属層２１９の間に絶縁層２１４ｃを有する。ＰＣＢ２１２の第３部分の上部金属層２１９は、モジュール２００の高電圧ノードに接続されるように構成することができる。上部金属部２１５、２１７、２１９はそれぞれ互いに電気的に絶縁されている。たとえば、ＰＣＢ２１２は単一の連続基板（たとえば、図１の基板１２）であり、パターン形成およびエッチングにより少なくとも上部金属層を除去することができる。この場合、領域２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃの底部金属層と絶縁層は物理的に相互接続されたままとなるであろう。この例を図２Ｂに示し、ここで、断面Ａ－ＡＡは図２Ａに示される。
【0048】
あるいは、絶縁層１４（および任意選択で、バックメタル層１３）の上部金属部２１５、２１７、２１９を越えて横方向に延びる部分を除去することもできる。ＰＣＢ２１２を部分的に除去して、上部金属部２１５、２１７、２１９を電気的に絶縁することは、第１および第２デバイス２２０および２３０が位置するＰＣＢの開口部を形成するエッチング操作の一部として行うことができる。あるいは、ＰＣＢ２１２は少なくとも３つの独立した部分で構成され、第１および第２半導体デバイス２２０および２３０の周りにモジュール２００として組み立てることもできる。この場合、領域２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃの底部金属層および絶縁層はギャップによって分離される。
【0049】
図２Ａを参照すると、導電性コネクタ２４１は、第１ソース電極２２２を上部金属層２１５に電気的に接続する。コネクタ２４２は、第１ドレイン電極２２３を上部金属層２１７に電気的に接続する。別の導電性コネクタ２４３は、第２ソース電極２３２を上部金属層２１７に電気的に接続する。第３導電性コネクタ２４４は、第２ドレイン電極２３３を上部金属層２１９に電気的に接続する。コネクタ２４１～２４４は、ワイヤボンディング、銅クリップ、ワイヤリボンなどで形成することができる。図２Ｂに示すように、第４上部金属層２１６は、ワイヤボンディングにより第１デバイス２２０の第１ゲート電極２２６に電気的に接続され、第５上部金属層２１８は、ワイヤボンディングにより第２デバイス２３０の第２ゲート電極２３６に電気的に接続されている。
【0050】
第１半導体デバイス２２０と第２半導体デバイス２３０との間の電気的絶縁を確保するために、第１および第２半導体デバイスの絶縁基板２２１および２３１が、モジュール２００内で導電性構造パッケージベース２１１から、デバイスの活性領域（すなわち、ＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴ構造２２５および２３５）を電気的に絶縁し、分離するために使用される。たとえば、絶縁基板２２１および２３１は、たとえば研磨またはエッチングにより、２００μｍ未満、または１００μｍ未満の厚みに薄くすることができる。このような薄さにより、デバイスの活性領域とモジュールパッケージベースとの間の熱抵抗が小さくなり、モジュールの接合－ケース間の熱抵抗が全体的に低下する。これにより熱放散が改善され、電力損失が低減され、モジュールの最大定格（たとえば、最大定格直流電流）が拡大される。しかし、絶縁基板２２１および２３１を過度に薄くすると、破壊電圧が低下し、負のバックゲート効果が増大し、複数のデバイス間のスイッチング干渉（すなわちクロストーク）が増大する。したがって、絶縁基板の最小厚さは５０μｍ超であることが望ましい。層２２４／２３４は、モジュールパッケージベース２１１と基板の間の熱膨張係数を一致させるように設計され、熱サイクル時の堅牢性と信頼性を改善することができる。
【0051】
第１デバイス２２０は低位側トランジスタとして、第２デバイス２３０は高位側トランジスタとして、第１および第２デバイスはハーフブリッジ回路を構成することができる。ハーフブリッジ回路では、上部金属層２１９は高電圧端子に接続される。高電圧端子は高電圧電源に接続されるように構成される。上部金属層２１７は出力端子に接続される。上部金属層２１５は接地端子に接続される。接地端子は回路接地に接続されるように構成される。
【0052】
図３は、他のモジュール３００の断面図である。このモジュール３００は、図２Ａのモジュール２００と類似しているが、モジュール３００は積層半導体デバイスを有する点で異なる。図３に示すように、モジュール３００は半導体デバイス３２０を有し、これはシリコンＦＥＴのような縦型エンハンスメントモード（ノーマリオフ）デバイスとすることができる。デバイス２２０は、ＧａＮ ＨＥＭＴなどの横型デプリーションモード（ノーマリオン）デバイスとすることができる。この場合、エンハンスメントモードデバイス３２０とデプリーションモードデバイス２２０をカスケード構成に配置し、単一のハイブリッドノーマリオフデバイスとして動作させることができる。ここで、デバイス３２０のドレイン電極は、デバイス２２０のソース電極２２２に直接実装され、電気的に接続することができる。コネクタ３４１は、デバイス３２０のソース電極３２２に接続される。図３には示されていないが、デバイス３２０と同様のエンハンスメントモードデバイスも、同様の方法でデバイス２３０のソース電極２３２に直接取り付けられ、電気的に接続される。
【0053】
図４Ａはモジュール４００の平面図であり、図４Ｂはモジュール４００の修正された例示的な断面側面図である。図４Ｂでは、モジュール４００の外観が、たとえば、両方のデバイスを単一の側面図で示すことができるように、見やすくするためにずらした状態で図示されている。しかし、図４Ａに示されている平面図から、意図されたレイアウトを解釈すべきである。さらに、図４Ｃ、４Ｄ、５Ａ、５Ｂ、５Ｄ、５Ｅ、６Ａ、７、８Ａ－８Ｄの断面側面図においても、これらの説明用の外観がずらして示されている。
【0054】
モジュール４００はモジュール２００と比較してＰＣＢ４１２の代替レイアウトで配置されているという点を除いて、モジュール４００は、図２Ａのモジュール２００と類似している。ここで、モジュール４００は、パッケージ４１０内で単一のプリント基板４１２を有し、すべての上部金属層（４１５、４１６、４１７、４１８、および４１９）は、第１デバイス２２０および第２デバイス２３０の同じ側に配置されている。プリント基板４１２は、図２Ａに示すように、第１デバイス２２０と第２デバイス２３０の間に配置される基板セグメント（２１４ｂ）を部分的に使用する場合と比較して、モジュールをデバイス２２０および２３０（たとえば、デバイス２２０および２３０の左側）に配線接続するために使用される。ＰＣＢ４１２の第１部分は、絶縁層４１４ａ（たとえば、セラミック、ＡｌＮ、またはＡｌ２Ｏ３）と、モジュール４００の接地ノードに接続されるように構成された上部金属層４１５（たとえば、銅またはニッケル）を有する。ＰＣＢ４１２の第２部分は、絶縁層４１４ｂと上部金属層４１７を有し、上部金属層４１７はモジュール４００の出力ノードに接続されるように構成されている。ＰＣＢ４１２の第３部分は、絶縁層４１４ｃと上部金属層４１９を有し、上部金属層４１９はモジュール４００の高電圧ノードに接続されるように構成されている。
【0055】
図４Ｂを参照すると、基板４１２は、絶縁層４１４と複数の上部金属層４１５／４１７／４１９とを有し、上部金属層４１５／４１７／４１９は、それぞれ互いに電気的に絶縁されている。デバイス２２０の第１ソース電極２２２は、ワイヤコネクタ４４１で上部金属層４１５に接続されている。デバイス２２０の第１ドレイン電極２２３は、ワイヤコネクタ４４２で上部金属層４１７に接続されている。デバイス２３０の第２ソース電極２３２は、ワイヤコネクタ４４３で上部金属層４１７に接続されている。デバイス２３０の第２ドレイン電極２３３は、ワイヤコネクタ４４４で上部金属層４１９に接続されている。ＰＣＢ４１２のような代替設計を使用することで、図２Ａのモジュール２００と比較して、組み立てコストを削減し、材料費を低減させることができる。図４Ａを参照すると、第１デバイス２２０の第１ゲート電極４２６は、ワイヤコネクタで上部金属層４１６に接続され、第２デバイス２３０の第２ゲート電極４３６は、ワイヤコネクタで上部金属層４１８に接続されている。
【0056】
図４Ｃのモジュール４０２は、図４Ａのモジュール４００と類似しているが、図４Ｃのモジュール４０２は、はんだダム４１３を有する構造パッケージベース４１１とともに組み立てられている。はんだダム４１３は、第１デバイス２２０と第２デバイス２３０の間のパッケージベース４１１にエッチング加工された「Ｖ」字型の溝とすることができ、第１デバイスと第２デバイスを接合するために使用したはんだが互いにリフローし、デバイスの接着特性が低下するのを防ぐことができる。はんだダム４１３は、同じ理由で基板４１２と第１デバイス２２０および第２デバイス２３０との間にエッチングすることもできる。
【0057】
図４Ｄのモジュール４０４は、図４Ａのモジュール４００に類似しているが、図４Ｄのモジュール４０４は、基板４１２に電気的に接続され、取り付けられた電子部品４５０を描写している。電子部品４５０は、たとえば、抵抗器、コンデンサ、トランジスタ、インダクタ、ダイオード、集積回路、またはその他の関連電子部品とすることができる。電子部品４５０は、単一のまたは複数のベアダイ、または追加のケースに収められた単一のまたは複数のパッケージ部品（図４Ｄに示されている）とすることができる。
【0058】
簡略化のため図示されていないが、図２Ａ、３、４Ａ－４Ｄのモジュール２００、３００、４００、４０２、４０４は、それぞれ、外部回路に接続するためのモジュールリードを有する。これらのモジュールリードは、電源端子、ゲート駆動端子、接地端子、または、適切な動作に必要なその他のパッケージリードとすることができる。
【0059】
図５Ａは、他の実装形態のモジュール５００の例示的な断面側面図である。モジュール５００は、図４Ｂのモジュール４００に類似している。モジュール５００は、パッケージカバー５１０を有する。第１デバイス２２０および第２デバイス２３０は、高熱伝導構造パッケージベース５１１に直接的に取り付けられている。図４Ｂのモジュール４００とは対照的に、ＰＣＢ基板５１２は、構造パッケージベース５１１から物理的に分離されており、モジュール５００の内部でＰＣＢ基板５１２とパッケージベース５１１の間に絶縁成形コンパウンド５２０を形成することができる。物理的な分離と成形コンパウンド５２０は、ＰＣＢをパッケージベースから絶縁する役割を果たす。ＰＣＢ基板５１２をパッケージベース５１１から分離することで、以降の図でより詳細に説明する追加の電子部品をより複雑に統合することが可能になる。
【0060】
図５Ｂは、他のモジュール５０２の例示的な断面側面図である。ここでは、コネクタ４４１～４４４は、図５Ａのモジュール５００における個々のワイヤボンドとは対照的に、金属クリップ（たとえば、Ｃｕクリップ）として描かれている。コネクタ４４１～４４４は、ワイヤリボンまたはその他の適切な電気コネクタであってもよい。図５Ｃはモジュール５０２の平面図である。図５Ｃに示すように、金属クリップ４４１～４４４はそれぞれ、第１デバイス２２０と第２デバイス２３０を、それぞれＰＣＢ５１２に接続する。図５Ｃは、第１デバイス２２０の第１ゲート電極４２６が上部金属層４１６に金属クリップで接続され、第２デバイス２３０の第２ゲート電極４３６が上部金属層４１８に金属クリップで接続されていることも示している。図５Ｃのモジュール５０２の平面図に示すように、ＰＣＢ５１２は、第１および第２デバイス２２０および２３０の第１側上に配置されている。第２デバイス２３０は、第１デバイス２２０の第２側上に配置されている。ここで、デバイス２２０の第２側は、デバイス２２０の第１側と隣接している。
【0061】
図５Ｄは、図５Ａのモジュール５００に類似する電子モジュール５０４の例示的な断面側面図である。ただし、モジュール５０４は、ＰＣＢ５１２に取り付けられた第１電子部品５５０を有する。電子部品５５０は、図４Ｃの電子部品４５０に類似させることができる。電子部品５５０は、ＰＣＢ５１２の第１側に取り付けられる。この面は、上部金属層４１５～４１９が形成されるＰＣＢの面と同一の面でもよい。モジュール５０４は、第１電子部品５５０に類似する第２電子部品５５１をさらに有することができるが、第２電子部品５５１は、ＰＣＢ５１２の第１側と反対側の第２側に取り付けられる。ＰＣＢ基板５１２は、多層基板、すなわち、基板のバルクに埋設された、１つより多いまたは２つより多い電気配線用金属層を有する基板とすることができる。これらの金属配線層は、電子部品５５０および５５１を上部金属層４１５～４１９に電気的に接続するために使用することができる。
【0062】
図５Ｅは、図５Ａのモジュール５００に類似する電子モジュール５０６の例示的な断面側面図である。ただし、モジュール５０６はモジュール５００と比較して熱効率を改善するために変更されている。図５Ｅに示すように、第１デバイス２２０の活性ＩＩＩ－Ｎ材料構造の下にある基板２２１の一部が除去されている。基板のこの部分を除去すると、基板２２１の底面に凹部が形成され、基板が「タブ」５２１を提供する。タブ５２１には、その後、金属やエポキシなどの高熱伝導性材料５２２を充填することができる。同様に、第２デバイス２３０の活性ＩＩＩ－Ｎ材料構造の下にある基板２３１の一部が除去され、基板２３１の底面に凹部が形成される。これにより、タブ５３１が形成される。タブ５３１には、その後、高熱伝導性材料５３２を充填することができる。このタブの形成とそれに続く高熱伝導性材料による充填により、モジュール５０６は、熱伝導性パッケージベース５１１に取り付けることができるヒートシンク（図示せず）に向けて、デバイス２２０および２３０の活性層から熱を除去する能力を高めることができる。
【0063】
図６Ａは、図５Ａのモジュール５００に類似するモジュール６００の例示的な断面側面図であり、図６Ｂは平面図である。ただし、モジュール６００は、モノリシックに統合された第１および第２パワーデバイスを有する点が異なる。図６Ａに示すように、第１デバイス２２０と第２デバイス２３０は、共通の絶縁基板６２１（たとえばサファイア基板）上に統合され、集積デバイス６２０を形成する。第１デバイス２２０のＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴ構造と第２デバイス２３０のＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴ構造は、絶縁領域６２５によって電気的に互いに絶縁されている。絶縁領域６２５は、集積デバイス６２０のＩＩＩ－Ｎ ＨＥＭＴ構造全体、および（任意選択で）絶縁基板６２１の一部（デバイス２２０のドレイン電極とデバイス２３０のソース電極の間）を通してトレンチをエッチングするか、またはイオン注入により絶縁領域６２５を作り出すことにより形成することができる。第１デバイス２２０のドレイン電極と第２デバイス２３０のソース電極は、集積された金属層２２８によって互いに接続することができる（または、任意選択で、外部回路で電気的に接続することもできる）。
【0064】
集積デバイス６２０は、熱伝導性構造パッケージベース５１１に接着層６２４で接続されており、この接着層は、図２Ａで先に説明した接着層２２４と類似するものとできる。集積デバイス６２０を共通の絶縁基板６２１に形成することにより、第１デバイス２２０および第２デバイス２３０を、性能低下を引き起こすことなく集積化することができる。これは、シリコンやシリコンカーバイドなどの導電性または半導電性の基板に形成したとしたら可能ではないであろう。実際、導電性または半導電性の基板上にモノリシック集積化した場合、デバイスはクロスバックゲートの影響を受ける可能性がある。これは、デバイスが導電性または半導電性の基板と容量結合し、互いに干渉し合うことで、機能、性能、および／または信頼性が損なわれる状況である。たとえば、高電圧で動作する場合、第１デバイスが基板電位を高くする可能性もある。その結果、基板は、寄生バックゲートとして第２デバイスに作用し、第２デバイスの活性領域に望ましくない高電圧を印加し、性能と信頼性を損なう可能性がある（たとえば、バッファ電荷トラップ、電界、リークの悪化を通じて）。これに対し、基板６２１のようなサファイア基板などの絶縁基板では、デバイスと基板６２１との間の容量結合は無視できるため、クロスバックゲートは問題とならない。そのため、デバイスは動作中に互いに干渉することがなく、機能、性能、信頼性が保たれる。図６Ｂは、金属クリップで形成されたモジュール６００の平面図である。
【0065】
図７は、図６Ａのモジュール６００と類似するモジュール７００の側面図である。モジュール７００は、集積デバイス６２０のソース電極およびドレイン電極と反対側の絶縁基板６２１の逆側に形成された集積電子部品および回路を有するという点で異なる。領域７２６に描かれた逆側回路には、逆側電源および／またはサーマルライン７２７、集積部品７２８（たとえば、コンデンサ、抵抗器、ダイオード、インダクタ、ＩＣなど）、および信号線７２９（たとえば、高伝導性材料、金属製）を含めることができる。逆側電源ライン７２７は、ビア７２２を介して第１パワーデバイス２２０のソース電極２２２に接続し、他のビア７３３を介して第２パワーデバイス２３０のドレイン電極２３３に接続することができる。ビア７２２および７３３は絶縁基板６２１を貫通して形成され、ビアの金属層は集積デバイス６２０のソース電極とドレイン電極を逆側回路７２６に接続する。
【0066】
逆側回路の第１利点は、寄生インダクタンスの低減である。実際、上部側デバイス６２０と裏側コンポーネント７２６の接続は、ワイヤボンド、クリップ、リボンボンド、基板トレースを介して基板上に配置されたパワーデバイスとコンポーネントとの間の接続よりもはるかに小さい浮遊インダクタンスを持つようにすることができる。したがって、裏側回路は、浮遊インダクタンスによる電力損失とＥＭＩを低減し、より高い動作周波数を実現するのに役立つ。逆側回路の第２利点は、基板上の使用面積をより少なくしてよりコンパクトな設計が可能になることであり、これにより、サイズに厳しい要求事項が課されるアプリケーション、たとえば統合モータードライブ、小型で分散型のインターネット・オブ・シングス（ＩｏＴ）デバイスやシステムにおいて、システムの小型化につながる。
【0067】
図８Ａは、図５Ｄのモジュール５０４に類似するモジュール８００の側面図である。しかし、モジュール８００はフリップチップ技術を使用して組み立てられ、モジュール全体のサイズとコストを削減するとともに、回路インダクタンスを低減することでモジュール性能を向上させている。モジュール８００はパッケージ８１０を有する。パッケージ８１０は、ＰＣＢ５１２に類似するものとできるＰＣＢ８１２を有する。ただし、ＰＣＢ８１２は、ＰＣＢ５１２と比較して反転（または裏返し）されていること、およびＰＣＢ８１２がワイヤボンディングや金属クリップではなくはんだボールを使用して第１デバイス２２０および第２デバイス２３０に電気的に接続されている点で異なる。ＰＣＢ８１２は、絶縁層５１４と上部金属層（４１５／４１７／４１９）とを有する。第１上部金属層４１５は、はんだボール８４１によって第１デバイス２２０のソースパッド２２２に電気的に接続される。第２上部金属層４１７は、はんだボール８４２および８４３で、それぞれ第１デバイス２２０のドレインパッド２２３および第２デバイス２３０のソースパッド２３２に電気的に接続されている。第３上部金属層４１９は、はんだ８４４で第２デバイス２３０のドレインパッド２３３に電気的に接続されている。ＰＣＢ８１２は、図５Ｄで説明した電子部品５５０／５５１に類似する電子部品７５０および／または７５１などの追加電子部品を任意選択で含むようにしてもよい。部品７５０および７５１は、モジュール８００の全体的なフットプリントを削減するために、絶縁層５１４の上部金属層４１５／４１７／４１９と反対側の面に形成することができる。
【0068】
さらに、第１および第２パワーデバイス用に構成された別個の独立した絶縁ＰＣＢ層を有することが望ましい場合がある。図８Ｂのモジュール８０２に示すように、ＰＣＢ層８１２は、第１部分５１４ａおよび第２部分５１４ｂを有する絶縁層を形成することにより、電気的におよび物理的に分離された２つの部分で構成された。第１部分５１４ａと第２部分５１４ｂは、絶縁層５１４を貫通するトレンチエッチングまたは２つの独立した絶縁層間のエアギャップのいずれかである絶縁領域８１３によって分離されている。たとえば、エアギャップは２つの別個のＰＣＢによって提供することができる。ＰＣＢ基板を分離することの利点は、熱サイクルおよびパワーサイクル中の堅牢性と信頼性を向上させることである。実際、半導体パワーデバイスと基板を形成する異なる材料間の異なる熱膨張係数は、熱サイクル中に望ましくない機械的応力を引き起こし、信頼性の低下につながる可能性がある。基板を分離することで、機械的応力を部分的にまたは完全に緩和することができる。
【0069】
図８Ｃに示すモジュール８０４は、図８Ａのモジュール８００と類似している。しかし、図８Ｃのモジュール８０４は、図８Ａに示されている第１デバイス２２０と第２デバイス２３０のような２つの個別のデバイスを使用する代わりに、図６Ａで説明した集積パワーデバイス６２０に類似するモノリシック集積パワーデバイス６２０を使用して形成されている。モジュール８０４に集積パワーデバイス６２０を使用することで、モジュール８００と比較して、複雑性をさらに低減し、モジュール全体のサイズを縮小することができる。これにより、デバイスの性能向上とシステムコストの削減を実現することができる。
【0070】
さらに、第１および第２パワーデバイス用に構成された別個の独立した絶縁ＰＣＢ層を有することが望ましい場合がある。図８Ｄのモジュール８０６に示すように、ＰＣＢ層８１２は、第１部分５１４ａおよび第２部分５１４ｂに絶縁層を形成することにより、電気的におよび物理的に分離された２つの部分で構成されている。第１部分５１４ａと第２部分５１４ｂは、絶縁領域８１３によって分離されており、絶縁層５１４を貫通するトレンチエッチング、またはＰＣＢ８１２を２つの独立した絶縁層で形成することができる。
【0071】
図９は、電子モジュール９００の平面図である。モジュール９００は、図２Ｂのモジュール２００で使用されているハーフブリッジ回路に類似しているが、モジュール９００は３相フルブリッジ回路として構成されている。モジュール９００は、パッケージベース９１１とＰＣＢ層９１２とを有する。ＰＣＢ９１２は絶縁９１４を有する。ＰＣＢ９１２は、モジュール９００の高電圧端子に接続される上部金属層２１９をさらに有する。高電圧端子は、回路の高電圧電源に接続されるように構成されている。ＰＣＢ９１２は、モジュール９００の第１相、第２相、第３相のゲート入力端子にそれぞれ接続される上部金属層（２１８／２１８’／２１８”）をさらに有する。ＰＣＢ９１２は、モジュール９００の接地端子に接続される上部金属層２１５をさらに有する。モジュール９００の接地端子は、回路接地に接続されるように構成されている。
【0072】
モジュール９００は、第１高位側スイッチ２３０、第２高位側スイッチ２３０’および第３高位側スイッチ２３０”を有する。モジュール９００は、第１低位側スイッチ２２０、第２低位側スイッチ２２０’および第３低位側スイッチ２２０”をさらに有する。高位側スイッチ（２３０／２３０’／２３０”）のドレイン電極（２３３／２３３’／２３３”）は、それぞれ上部金属層２１９に接続されている。第１高位側スイッチ２３０のソース電極２３２および第１低電位側スイッチ２２０のドレイン電極２２３は、それぞれ上部金属層２１７に接続されている。第２高位側スイッチ２３０’のソース電極２３２’および第２低位側スイッチ２２０’のドレイン電極２２３’は、それぞれ上部金属層２１７’に接続されている。第３高位側スイッチ２３０”のソース電極２３２”および第３低位側スイッチ２２０”のドレイン電極２２３”は、それぞれ上部金属層２１７”に接続されている。低位側スイッチ（２２０／２２０’／２２０”）のソース電極（２２２／２２２’／２２２”）は、それぞれ上部金属層２１５に接続されている。高位側スイッチ（２３０／２３０’／２３０”）の入力ゲート電極は、それぞれ上部金属層（２１８／２１８’／２１８”）に接続されている。低位側スイッチ（２２０／２２０’／２２０”）の入力ゲート電極は、それぞれ上部金属層（２１６／２１６’／２１６”）に接続されている。モジュール９００の高位側スイッチおよび低位側スイッチの各絶縁基板は、絶縁層９１４が除去されているか、または存在しないＰＣＢ９１２のビア部分を介して、モジュール９００のパッケージベース９１１に物理的に取り付けられている。
【0073】
簡略化のため図示されていないが、モジュール４００、４０２、４０４、５００、５０２、５０４、６００、７００、８００、８０２、８０４、８０６または９００のいずれも、図３に示すデバイス３２０と同様に構成された低電圧エンハンスメントモードデバイスを、第１デバイス２２０のソースパッド２２２または第２デバイス２３０のソースパッド２３２のいずれかに、またはその両方に含めることができる。
【0074】
簡略化のため図示されていないが、本明細書で説明するすべてのモジュールは、パッケージケースの外側に延び、外部回路に接続されるように構成されているモジュールリードを含んでいる。これらのモジュールリードは、電源端子、ゲート駆動端子、接地端子、または適切な動作に必要なその他のパッケージリードであることができる。さらに、本明細書で説明するすべてのモジュールは、ヒートシンクに接続することができる。ヒートシンクは外部接続することができる。ヒートシンクの構成に応じて、本明細書で説明するモジュールは上部側冷却または底部側冷却のいずれでもよい。
【0075】
多くの実施態様が説明されてきた。とはいえ、本明細書で説明されている技術および装置の趣旨および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を加えることができることが理解される。したがって、他の実施態様も以下の特許請求の範囲の範囲に含まれる。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【国際調査報告】