JP2013021318A - スタック型ハーフブリッジ電力モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】熱を充分に放散でき電力密度を高くできる手段を提供する。
【解決手段】スタック型ハーフブリッジ電力モジュール２００が、ハイサイド基板２３０ａに結合されたハイサイド電力端子を有するハイサイド装置２０２ａと、ローサイド基板２３０ｂに結合されたローサイド電力端子を有するローサイド装置２０２ｂとを具えている。ハイサイド装置とローサイド装置とは共通導電インタフェース２４０の両側の面上に積層されている。共通導電インタフェースは、ハイサイド装置のハイサイド出力端子をローサイド装置のローサイド出力端子に電気的、機械的及び熱的に結合している。ハイサイド装置及びローサイド装置の各々は、ダイオードと並列の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有することができる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は一般的に、半導体の分野におけるものである。本発明は特に、半導体ダイのパッケージングに関するものである。
本出願は、２０１１年７月１１日に出願された、出願番号が61/506,468で、“Stacked Half-Bridge Power Module”と題する米国特許仮出願の利益及び優先権を主張するものである。この米国特許仮出願における開示は本出願においては完全に参考のために導入されるものである。
電力装置を有する電力モジュールは高電圧・高電流分野に用いることができる。この電力モジュールには、電力装置が、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又はパワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を電力スイッチとして含むハイサイド及びローサイド装置であるハーフブリッジを含めることができる。それぞれのダイには各電力スイッチを設けることができ、各電力スイッチは一般に、電力スイッチと同じ又は異なるダイ上に設け得るダイオード、例えば、フリーホイールダイオードと並列となっている。
電力スイッチ及びダイオードは高性能のものにしうるが、これらの電力スイッチ及びダイオードの性能は、ダイが如何にパッケージングされているかによって制限されるおそれがある。例えば、電磁妨害（ＥＭＩ）及び寄生性が、電力モジュールにおいてダイを接続する際の重大な問題となる。更に、電力装置は代表的にかなり大きな熱を発生し、この熱が電力装置から充分に放散されなければ、この熱により電力スイッチ及びダイオードの性能を低下させるおそれがある。
電力装置を電力モジュール内にパッケージングする一手法は、ハイサイド及びローサイド装置を基板上で並んで配置されるように接続することにある。これらのハイサイド及びローサイド装置の各々は、１つ以上のダイと、これらのダイに対するハーフブリッジ構成用の相互接続体として用い得る基板上の導電性の配線とを有しうる。しかし、この手法を用いると、導電性の配線が基板上に長い経路（ルーティングパス）を必要とするとともに、寄生誘導性及び寄生抵抗が高い不所望に非対称な電流路を形成するおそれがある。又、基板に導電性の配線及びダイを設ける必要がある為、基板が大きくなるとともに高価なものとなる。従って、この手法によると、電力モジュールのフォームファクタが大きくなるとともに電力モジュールの電力密度が低くなる。更に、ボンドワイヤを用いてダイに接続する場合には、ハイサイド及びローサイド装置から熱を充分に放散させるためのヒートシンクを設けるのが困難となる。
上述した欠点を解消しうる、ハイサイド及びローサイド装置を有する電力モジュールを提供することが望ましい。
本発明によれば、実質的に本発明の少なくとも１つの図に示しこれに関連して説明し且つより完全には特許請求の範囲に記載したスタック型ハーフブリッジ電力モジュールを提供する。
図１は、本発明の一実施例によるスタック型ハーフブリッジ電力モジュールを示す代表的な回路線図である。 図２Ａは、本発明の一実施例による代表的なスタック型ハーフブリッジ電力モジュールを示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の一実施例による代表的なスタック型ハーフブリッジ電力モジュールを示す頂面図である。 図３は、本発明の一実施例による代表的なスタック型ハーフブリッジ電力モジュールを示す断面図である。
本発明は、スタック型ハーフブリッジ電力モジュールに関するものである。以下の説明には、本発明の実施に関する特定の情報を含むものである。当業者にとって明らかなように、本発明は本明細書で具体的に説明したのとは異なる方法で実施しうるものである。更に、本発明の特定の細部の幾つかは、本発明を不明瞭としないようにするために説明していない。本明細書で説明していない特定の細部は当業者の知識内のものである。
本出願の図面及びこれらに関連する詳細な説明は、単に本発明の代表的な実施例に向けたものである。説明上の簡潔さを維持するために、本発明の原理を用いた本発明の他の実施例を本明細書に明確に記載していないとともに図面に明確に図示していない。
図１は、本発明の一実施例によるスタック型ハーフブリッジ電力モジュール回路（単に“電力モジュール回路”とも称する）１００の代表的な線図を示す。本例では、この電力モジュール回路１００は、ハイサイド装置１０２ａ及びローサイド装置１０２ｂ（ここでは電力装置１０２とも称する）を有するハーフブリッジ回路とする。
本例では、ハイサイド装置１０２ａを、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１０４ａ及びダイオード１０６ａを有するハイサイドＩＧＢＴ／ダイオード装置とした。ＩＧＢＴ１０４ａは電力スイッチであり、ダイオード１０６ａは、このＩＧＢＴ１０４ａと並列、より詳しくは逆並列としたフリーホイールダイオードである。同様に、ローサイド装置１０２ｂは、ＩＧＢＴ１０４ｂ及びダイオード１０６ｂを有するローサイドＩＧＢＴ／ダイオード装置である。ＩＧＢＴ１０４ｂは電力スイッチであり、ダイオード１０６ｂは、このＩＧＢＴ１０４ｂと並列、より詳しくは逆並列としたフリーホイールダイオードである。ＩＧＢＴ１０４ａとダイオード１０６ａとの接続及びＩＧＢＴ１０４ｂとダイオード１０６ｂとの接続は、本発明のある実施例では逆並列とはしないことに注意すべきである。例えば、ダイオード１０６ａ及び１０６ｂの各々の極性は、図１に示すのとは逆にすることができる。
ハイサイド装置１０２ａは、ＩＧＢＴ１０４ａのコレクタ及びダイオード１０６ａの陰極に結合されたハイサイド電力端子（この場合“コレクタ端子”や“コレクタ／陰極端子”とも称する）１１２ａを有する。同様に、ローサイド装置１０２ｂは、ＩＧＢＴ１０４ｂのエミッタ及びダイオード１０６ｂの陽極に結合されたローサイド電力端子（この場合“エミッタ端子”や“エミッタ／陽極端子”とも称する）１１４ｂを有する。
ハイサイド装置１０２ａは、ＩＧＢＴ１０４ａのエミッタ及びダイオード１０６ａの陽極に結合されたハイサイド出力端子（この場合“エミッタ端子”や“エミッタ／陽極端子”とも称する）１１４ａをも有する。同様に、ローサイド装置１０２ｂは、ＩＧＢＴ１０４ｂのコレクタ及びダイオード１０６ｂの陰極に結合されたローサイド出力端子（この場合“コレクタ端子”や“コレクタ／陰極端子”とも称する）１１２ｂを有する。図１は、ハイサイド出力端子１１４ａがローサイド出力端子１１２ｂに結合されていることを示している。
又本例では、ハイサイド装置１０２ａが、ＩＧＢＴ１０４ａのゲートに結合されたハイサイド入力端子（この場合“ゲート端子”とも称する）ＧH1を有する。同様に、ローサイド装置１０２ｂが、ＩＧＢＴ１０４ｂのゲートに結合されたローサイド入力端子（この場合“ゲート端子”とも称する）ＧL1を有する。
本例では、電力モジュール回路１００は、ハイサイド装置１０２ａのハイサイド電力端子１１２ａに結合されたハイサイド電源端子ＶH1を有するとともに、ローサイド装置１０２ｂのローサイド電力端子１１４ｂに結合されたローサイド電源端子ＶL1を有する。ハイサイド電源端子ＶH1はハイサイド電源電圧を受けるように構成されており、ローサイド電源端子ＶL1はローサイド電源電圧を受けるように構成されている。電力モジュール回路１００は、ローサイド出力端子１１２ｂに結合されたハイサイド出力端子１１４ａより成るハーフブリッジ出力端子（この場合“共通導電インタフェース端子”とも称する）Ｖout1をも有する。更に、ハイサイド入力端子ＧH1及びローサイド入力端子ＧL1はそれぞれ電力モジュール回路１００のハイサイド入力端子及びローサイド入力端子である。当該技術分野において既知のように、ハイサイド入力端子ＧH1は、ＩＧＢＴ１０２ａを選択的にイネーブリング（有効化）及びディスエーブリング（無効化）するのに用いることができ、ローサイド入力端子ＧL1は、ＩＧＢＴ１０２ｂを選択的にイネーブリング及びディスエーブリングするのに用いることができる。
本例では、電力装置１０２の各々が電力スイッチとしてＩＧＢＴ（すなわちＩＧＢＴ１０４ａ及び１０４ｂ）を有するが、これらの電力装置１０２は電力金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のような異なる電力スイッチを有しうる。ある実施例では、ＩＧＢＴ１０４ａに代えてＭＯＳＦＥＴを用い、ダイオード１０６ａをこのＭＯＳＦＥＴのボディダイオードとする。他の実施例では、ＩＧＢＴ１０４ａに代えて高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を用いる。同様に、ＩＧＢＴ１０４ｂに代えて例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＨＥＭＴを用いることができる。又、ある実施例では、電力装置１０２にダイオード１０６ａ及び１０６ｂを設けないようにすることができ、又は電力装置１０２にこれらのダイオード１０６ａ及び１０６ｂとは異なる電気素子をこれらに代えて或いはこれらに加えて設けることができる。
本発明の実施例によれば、更に、電力モジュール回路１００は図１に示す回路に限定されるものではないことを銘記されたい。例えば、電力モジュール回路１００には、図３につき説明するように、他のハイサイド装置及び他のローサイド装置を有する他のハーフブリッジ回路を設けることができる。この他のハーフブリッジ回路は図１に示すハーフブリッジと相俟ってフルブリッジを構成することができる。この他のハーフブリッジ回路及び図１に示すハーフブリッジは多相インバータのそれぞれの相を形成するようにもできる。
従って、上述したように、一実施例では、本発明により高電圧及び高電流分野に用い得る電力装置１０２を有するスタック型ハーフブリッジ電力モジュール回路１００を提供する。ある実施例では一特定例として電力装置１０２が約１２００ボルトのブレークダウン電圧を有するようにする。電力装置１０２は１つ以上のダイ上に設けることができる。ＩＧＢＴ１０４ａ及び１０４ｂとダイオード１０６ａ及び１０６ｂとは高性能のものとしうるが、これらの性能は、ダイが如何にパッケージングされるかにより制限されるおそれがある。例えば、電磁妨害（ＥＭＩ）及び寄生性が、電力モジュール回路１００を形成するようにダイを接続する際の重大な問題となる。更に、電力装置１０２は代表的に大きな熱を発生し、この熱が電力装置１０２から充分に放散されなければ、この熱によりＩＧＢＴ１０４ａ及び１０４ｂ且つダイオード１０６ａ及び１０６ｂの性能を低下させるおそれがある。
本発明の種々の実施例によれば、スタック型ハーフブリッジ電力モジュールは、高対称性の電流路を有する短い経路を具えることができる。更に、このスタック型ハーフブリッジ電力モジュールでは、熱を電力装置１０２から放散させるためのヒートシンクを容易に設けうるとともに、電力モジュールのフォームファクタを小さくし電力モジュールの電力密度を高くすることができる。従って、スタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、電磁妨害（ＥＭＩ）が低くなるとともに寄生性が低くなるように、電力装置１０２を形成するダイをパッケージングすることができる。更に、電力装置１０２により発生される熱をスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおける電力装置１０２から充分に放散させることができる。従って、このスタック型ハーフブリッジ電力モジュールは、ＩＧＢＴ１０４ａ及び１０４ｂ且つダイオード１０６ａ及び１０６ｂの性能をそれ程制限させるものではない。
図２Ａ及び２Ｂを参照するに、図２Ａは、本発明の一実施例によるスタック型ハーフブリッジ電力モジュール（この場合“電力モジュール”とも称する）２００を示す断面図である。図２Ｂは、本発明の一実施例によるスタック型ハーフブリッジ電力モジュール２００を示す頂面図である。図２Ａの断面図は図２Ｂにおけるライン２Ａ−２Ａに沿って断面としたものである。図１における電力モジュール回路は、図２Ａ及び２Ｂにおける電力モジュール２００を線図的に示したものに相当する。
電力モジュール２００は、ハイサイド電源端子ＶH1、ローサイド電源端子ＶL1（図２Ａには図示せず）、ハイサイド入力端子ＧH1、ローサイド入力端子ＧL1及びハーフブリッジ出力端子Ｖout1を有し、これらは、電力モジュール回路１００におけるハイサイド電源端子ＶH1、ローサイド電源端子ＶL1、ハイサイド入力端子ＧH1、ローサイド入力端子ＧL1及びハーフブリッジ出力端子Ｖout1にそれぞれ対応する。ローサイド電源端子ＶL1は、これがローサイド入力端子ＧL1の後ろにあってこのローサイド入力端子ＧL1により隠されている為に図２Ａに図示されていないことに注意すべきである。更に、ハイサイド電源端子ＶH1は、ハイサイド入力端子ＧH1の後ろ側にあるがこのハイサイド入力端子ＧH1により隠されていない為に深さを示すように図２Ａに点線の輪郭で示してある。
電力モジュール２００は、ハイサイド装置２０２ａ及びローサイド装置２０２ｂをも有し、これらは図１におけるハイサイド装置１０２ａ及びローサイド装置１０２ｂにそれぞれ対応する。ハイサイド装置２０２ａは、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及びダイオードダイ２０６ａを有し、これらは図１におけるＩＧＢＴダイ１０４ａ及びダイオードダイ１０６ａにそれぞれ対応し、又ローサイド装置２０２ｂは、ＩＧＢＴダイ２０４ｂ及びダイオードダイ２０６ｂを有し、これらは図１におけるＩＧＢＴダイ１０４ｂ及びダイオードダイ１０６ｂにそれぞれ対応している。
ＩＧＢＴダイ２０４ａは、その底面上にコレクタ２１６ａを有するとともにその頂面上にエミッタ２１８ｂ及びゲート２２０ｂを有し、ダイオードダイ２０６ａは、その底面上に陰極２２２ａを有するとともにその頂面上に陽極２２４ａを有する。同様に、ＩＧＢＴダイ２０４ｂは、その底面上にコレクタ２１６ｂを有するとともにその頂面上にエミッタ２１８ｂ及びゲート２２０ｂを有し、ダイオードダイ２０６ｂは、その頂面上に陰極２２２ｂを有するとともにその底面上に陽極２２４ｂを有する。ＩＧＢＴダイ２０４ａ及びダイオードダイ２０６ａはある実施例では互いに分離されたダイとするが、これらＩＧＢＴダイ２０４ａ及びダイオードダイ２０６ａは単一のＩＧＢＴ／ダイオードダイとすることができる。同様に、ＩＧＢＴダイ２０４ｂ及びダイオードダイ２０６ｂを単一のＩＧＢＴ／ダイオードダイとすることができる。
電力モジュール２００は更に、ハイサイド基板２３０ａと、ローサイド基板２３０ｂと、共通導電インタフェース２４０とを有している。ハイサイド装置２０２ａは、ハイサイド基板２３０ａ及び共通導電インタフェース２４０上に設けられており、ローサイド装置２０２ｂは、ローサイド基板２３０ｂ及び共通導電インタフェース２４０上に設けられている。ハイサイド基板２３０ａは、導電層２１２ａ及び２３４ａと、誘電体層２３２ａとを有している。同様に、ローサイド基板２３０ｂは、導電層２１４ｂ及び２３４ｂと、誘電体層２３２ｂとを有している。
導電層２３４ａ及び２３４ｂは、ハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂのそれぞれの外側の導電層であり、それぞれハイサイド導電層２３４ａ及びローサイド導電層２３４ｂと称することができる。導電層２３４ａは誘電体層２３２ａによりハイサイド装置２０２ａから電気絶縁されている。同様に、導電層２３４ｂは誘電体層２３２ｂによりローサイド装置２０２ｂから電気絶縁されている。
本例では、ハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂのそれぞれは直接接合銅（ＤＢＣ）基板である。例えば、誘電体層２３２ａ及び２３２ｂはセラミックとすることができ、導電層２１２ａ、２１４ｂ、２３４ａ及び２３４ｂは誘電体層２３２ａ及び２３２ｂのそれぞれの面に接合された銅層とすることができる。ハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂはＤＢＣ基板以外の基板とすることができる。ある実施例では、一例として、ハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂを上述したように銅主体とせずに、アルミニウ主体とする。本例では、ハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂを熱伝導性としたので、電力モジュール２００は、ハイサイド装置２０２ａ及びローサイド装置２０２ｂからの熱をこれら装置の頂面及び底面の双方を経て有効に放散しうる。一例では、例えば、導電層２３４ａ及び２３４ｂの双方又は何れか一方の上に１つ以上のヒートシンクを設ける。
電力モジュール２００では、ハイサイド装置２０２ａは、ハイサイド基板２３０ａに結合されたハイサイド電力端子（コレクタ／陰極端子）を有しており、このハイサイド電力端子は図１におけるハイサイド電力端子１１２ａに対応する。特に、ＩＧＢＴダイ２０４ａのコレクタ２１６ａは導電層２１２ａを経てダイオードダイ２０６ａの陰極２２２ａに電気的に結合されている。本例では、電力モジュール２００のハイサイド電源端子ＶH1は銅のリード線であり、導電層２１２ａに電気的に且つ機械的に連結されている。同様に、ローサイド装置２０２ｂは、ローサイド基板２３０ｂに結合されたローサイド電力端子（エミッタ／陽極端子）を有している。特に、ＩＧＢＴダイ２０４ｂのエミッタ２１８ｂは導電層２１４ｂを経てダイオードダイ２０６ｂの陽極２２４ｂに結合されている。本例では、電力モジュール２００のローサイド電源端子ＶL1は銅のリード線であり、導電層２１４ｂに電気的に且つ機械的に連結されている。
又、電力モジュール２００では、ローサイド装置２０２ｂが図１におけるＩＧＢＴ１０４ｂのゲートに対応するゲート２２０ｂを有し、このゲート２２０ｂがローサイド基板２３０ｂに結合されている。本例では、ゲート端子ＧL1が銅のリード線を有し、ローサイド基板２３０ｂの導電層２１４ｂとＩＧＢＴダイ２０４ｂのゲート２２０ｂとに電気的に接続されている。しかし、ゲート端子ＧL1及びゲート２２０ｂはＩＧＢＴダイ２０４ｂのエミッタ２１８ｂ及びダイオードダイ２０６ｂの陽極２２４ｂから電気的に絶縁されている。この電気的な絶縁は、導電層２１４ｂの一部を適切に除去して誘電体層２３２ｂを露出させることにより達成しうる（このことは図２Ａ及び２Ｂには図示していない）。本例では、ハイサイド装置２０２ａは、銅のリード線であるゲート端子ＧH1を有しており、ＩＧＢＴダイ２０４ａの頂面に（すなわち、ＩＧＢＴダイ２０４ａのゲート２２０ａに）電気的に接続されている。従って、ゲート端子ＧH1及びゲート２２０ａをエミッタ２１８ａ及び陽極２２４ａから電気的に絶縁させるのに導電層２１２ａの一部を除去する必要がない。本例は電力モジュール２００のボンドワイヤのない有利な実施を示しているが、ある実施例ではゲート端子ＧL1及びＧH1をボンドワイヤとすることができる。
図２Ａは、ハイサイド装置２０２ａ及びローサイド装置２０２ｂを共通の導電層２４０の両側の面上にそれぞれ積層（スタック）されたものを示している。例えば、ハイサイド装置２０２ａは共通の導電層２４０の面２５０ａ上に積層されており、ローサイド装置２０２ｂは共通の導電層２４０の面２５０ｂ上に積層されている。従って、ハイサイド装置２０２ａ、ローサイド装置２０２ｂ及び共通の導電層２４０が、電力モジュール２００の占有面積及びフォームファクタを小さくする垂直積層体を構成する。例えば、ハイサイド装置２０２ａとローサイド装置２０２ｂとが互いの上に積層されている為、スタック型のハーフブリッジ電力モジュール２００の占有面積は、電力装置を並べて配置した電力モジュールの占有面積のほぼ半分としうる。従って、ハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂを小型にでき、且つ電力モジュール２００が高い電力密度を有するようにしうる。特定例としては、電力モジュール２００が約７μmよりも薄い又はそれに等しい厚さ２４４を有するようにしうる。電力モジュール２００の長さ２４８は約３０μmよりも短く又はそれに等しくすることができ、電力モジュール２００の幅２４６は約１５μmよりも狭く又はそれに等しくすることができる。
共通導電インタフェース２４０は、図１におけるハイサイド出力端子１１４ａに対応するハイサイド装置２０２ａのハイサイド出力端子（エミッタ／陽極端子）と、図１におけるローサイド出力端子１１２ｂに対応するローサイド装置２０２ｂのローサイド出力端子（コレクタ／陰極端子）とに電気的、機械的及び熱的に結合している。ＩＧＢＴダイ２０４ａ及びダイオードダイ２０６ａは、共通導電インタフェース２４０の面２５０ａに電気的、機械的及び熱的に結合しており、ＩＧＢＴダイ２０４ｂ及びダイオードダイ２０６ｂは共通導電インタフェース２４０の面２５０ｂに電気的、機械的及び熱的に結合している。ハイサイド出力端子は、共通導電インタフェース２４０の面２５０ａ上に積層されたＩＧＢＴダイ２０４ａ及びダイオードダイ２０６ａを以て構成されている。ローサイド出力端子は、共通導電インタフェース２４０の面２５０ｂ上に積層されたＩＧＢＴダイ２０４ｂ及びダイオードダイ２０６ｂを以て構成されている。
ある実施例では、共通導電インタフェース２４０を導電性のリード線とする。例えば、共通導電インタフェース２４０を金属又は金属合金とすることができる。一実施例では、この共通導電インタフェース２４０を銅とする。ある実施例では、共通導電インタフェース２４０が基板を有するようにする。例えば、共通導電インタフェース２４０を、ハイサイド装置２０２ａのハイサイド出力端子をローサイド装置２０２ｂのローサイド出力端子に電気的に結合する導電性通路（図２Ａ及び２Ｂに図示せず）を有する基板とする。共通導電インタフェース２４０は例えば、ＤＢＣ、絶縁金属基板（ＩＭＳ）、プリント回路板（ＰＣＢ）又はその他の種類の基板としうる。
共通導電インタフェース２４０を設けることにより、有利なことに、スタック型ハーフブリッジ電力モジュール２００において長い経路及び非対称の電流路を回避しうる。例えば、本例では、電力モジュール２００におけるハイサイド装置２０２ａとローサイド装置２０２ｂとの間の接続体の長さが主として、共通導電インタフェース２４０の厚さにより決定され、この厚さは例えば、２ミリメートルとしうる。従って、ハイサイド装置２０２ａとローサイド装置２０２ｂとの間の接続体の寄生抵抗及びインダクタンスを低くすることができる。更に、ＩＧＢＴダイ２０４ａをダイオードダイ２０６ａに接近させて配置することができるとともにＩＧＢＴダイ２０４ｂをダイオードダイ２０６ｂに接近させて配置することができ、これによりＥＭＩ及び寄生性を低くする。
ある実施例では、ハイサイド装置２０２ｂ、ローサイド装置２０２ａ、共通導電インタフェース２４０、ハイサイド基板２３０ｂ、ローサイド基板２３０ａ、ゲート端子ＧL1及びＧH1、ローサイド電源端子ＶL1及びハイサイド電源端子ＶH1の何れかのうちで種々の電気接続体を、無鉛はんだのようなはんだを用いることにより形成しうる。又、ある実施例では、ハイサイド装置２０２ｂ、ローサイド装置２０２ａ、共通導電インタフェース２４０、ハイサイド基板２３０ｂ、ローサイド基板２３０ａ、ゲート端子ＧL1及びＧH1、ローサイド電源端子ＶL1及びハイサイド電源端子ＶH1の何れかのうちで種々の電気接続体を、焼結体又は合金焼結体を用いることにより形成しうる。特定の一例としては、ハイサイド装置２０２ｂのＩＧＢＴダイ２０４ｂをハイサイド基板２３０ｂの導電層２１４ｂにはんだ付けするか又は焼結させることができる。他の例としては、ハイサイド電源端子ＶH1をローサイド装置２０２ａのＩＧＢＴダイ２０４ａにはんだ付けするか又は焼結させることができる。他の例としては、ゲート端子ＧL1及びローサイド電源端子ＶL1の双方又は何れか一方をハイサイド基板２３０ｂの導電層２１４ｂにはんだ付けするか又は焼結させることができる。又、ローサイド装置２０２ａのＩＧＢＴダイ２０４ｂを共通導電インタフェース２４０にはんだ付けするか又は焼結させることができる。焼結体又は合金焼結体を用いることにより、有利なことに、電力モジュール２００において、はんだが摩減するのを回避しうる。
図２Ｂは、共通導電インタフェース２４０が電力モジュール２００の対向する両側面から横方向に突出していることを示している。例えば、共通導電インタフェース２４０の延長部２４０ａがハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂの側面２５２ａから横方向に突出している。更に、共通導電インタフェース２４０の延長部２４０ｂがハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂの側面２５２ｂから横方向に突出している。ある実施例では、共通導電インタフェース２４０を電力モジュール２００の１つのみの側面から突出させる。この１つのみの側面は側面２５２ａ及び２５２ｂ以外の側面としうる。共通導電インタフェース２４０は熱的に伝導性であり、ハイサイド装置２０２ａ及びローサイド装置２０２ｂに熱的に結合されている為、ハイサイド装置２０２ａ及びローサイド装置２０２ｂからの熱を共通導電インタフェース２４０の延長部２４０ａ及び２４０ｂから有効に放散させることができる。従って、共通導電インタフェース２４０はハイサイド装置２０２ａ及びローサイド装置２０２ｂに対するヒートシンクを構成し、これにより電力モジュール２００の熱放散能力を高める。
又、図２Ｂに示すように、ゲート端子ＧL1及びローサイド電源端子ＶL1はハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂの側面２５４ａから横方向に突出している。更に、ゲート端子ＧH1及びハイサイド電源端子ＶH1はハイサイド基板２３０ａ及びローサイド基板２３０ｂの側面２５４ｂから横方向に突出している。側面２５４ａ及び２５４ｂは互いに対向している。他の実施例では、図２Ｂに示す端子配置を異なるものにしうることを銘記すべきである。例えば、ゲート端子ＧL1及びＧH1と、ハイサイド電源端子ＶH1と、ローサイド電源端子ＶL1と、延長部２４０ａ及び２４０ｂとの任意の組み合わせを、側面２５２ａ、２５２ｂ、２５４ａ及び２５４ｂの任意の組み合わせから突出させることができる。
電力モジュール２００には、図２Ａ及び２Ｂに示していない他の接続部及び他の端子の双方又は何れか一方を設けることもできる。これらの他の接続部及び他の端子の双方又は何れか一方は、電力モジュール２００における追加の電気素子（ここでは明確に説明しない）に対するものとすることができる。ある実施例では、電力モジュール２００に温度センサを設ける。この温度センサは、例えば、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及び２０４ｂの双方又は何れか一方の内部又は外部に設けることができる。又、ある実施例では、電力モジュール２００に電流センサを設ける。例えば、この電流センサも同様に、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及び２０４ｂの双方又は何れか一方の内部又は外部に設けることができる。この場合、電力モジュール２００には、温度センサ及び電流センサの双方又は何れか一方に対する追加の端子及び接続部の双方又は何れか一方を設けることができる。
更に、他の実施例では、電力モジュール２００を図２Ａ及び２Ｂに示すものとは異なるように構成することができること、当然である。例えば、本例では、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及び２０４ｂの双方は、エミッタ（すなわち、エミッタ２１８ａ及び２１８ｂ）及びゲート（すなわち、ゲート２２０ａ及び２２０ｂ）を頂面上に有するとともに、コレクタ（すなわち、コレクタ２１６ａ及び２１６ｂ）を底面上に有している。しかし、他の実施例では、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及び２０４ｂの少なくとも一方がゲート及びコレクタを同じ面上に有するようにしうる。これに応じ、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及び２０４ｂを接続する方法を調整しうる。この場合、例えば、ある実施例では、ゲート端子ＧL1を本例において導電層２１４ｂに電気的に接続しているのと同様にして、ゲート端子ＧH1を導電層２１２ａに電気的に接続することができる。ある実施例では、ゲート端子ＧL1を導電層２１４ｂに電気的に接続しないようにすることを銘記すべきである。
図２Ａ及び２Ｂは、任意ではあるが、電力モジュール２００が、成形材料を有するのが好ましいハーメチックシーリング材２４２を有するようにしうるということを示している。このハーメチックシーリング材２４２は、アンダーフィル材料（図２Ａ及び２Ｂには図示せず）をも有しうる。図２Ａ及び２Ｂは、ゲート端子ＧH1及びＧL1と、ハイサイド電源端子ＶH1と、ローサイド電源端子ＶL1と、延長部２４０ａ及び２４０ｂとを他の回路への接続のために露出した状態で残して、ハーメチックシーリング材２４２が電力モジュール２００を囲んでいることを示している。又、図２Ａ及び２Ｂは、導電層２３４ａ及び２３４ｂがハーメチックシーリング材２４２を通して露出していることをも示している。導電層２３４ａ及び２３４ｂの双方又は何れか一方には１つ以上のヒートシンクを熱的に連結することができる。
従って、上述したように、スタック型ハーフブリッジ電力モジュール２００は、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及びダイオードダイ２０６ａを具えるハイサイド装置２０２ａと、ＩＧＢＴダイ２０４ｂ及びダイオードダイ２０６ｂを具えるローサイド装置２０２ｂとを有している。ＥＭＩ及び寄生性を低くして、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及び２０４ｂとダイオードダイ２０６ａ及び２０６ｂとを接続することができる。更に、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及び２０４ｂとダイオードダイ２０６ａ及び２０６ｂとから熱を容易に消散させることができる。従って、ＩＧＢＴダイ２０４ａ及び２０４ｂとダイオードダイ２０６ａ及び２０６ｂとの性能がパッケージングにより著しく制限されることはない。更に、電力モジュール２００が有するフォームファクタを小さくし、電力モジュールの電力密度を高くすることができる。
電力モジュール２００は、ハイサイド装置２０２ａ及びローサイド装置２０２ｂを電力装置として具えているが、他の実施例では、電力モジュール２００が少なくとも１つの追加の電流装置又は電気素子を具えるようにしうる。例えば、図３に本発明の一実施例によるスタック型ハーフブリッジ電力モジュール（この場合も単に“電力モジュール”と称する）３００を示す。この電力モジュール３００はハイサイド装置３０２ａ、ローサイド装置３０２ｂ、ハイサイド基板３３０ａ、ローサイド基板３３０ｂ、ハイサイド電源端子ＶH1、ゲート端子ＧH1及びＧL1及びハーフブリッジ出力端子Ｖout1を有し、これらは図１、２Ａ及び２Ｂにおけるハイサイド装置２０２ａ、ローサイド装置２０２ｂ、ハイサイド基板２３０ａ、ローサイド基板２３０ｂ、ハイサイド電源端子ＶH1、ゲート端子ＧH1及びＧL1及びハーフブリッジ出力端子Ｖout1にそれぞれ対応する。電力モジュール３００は、図３に示していないが図２Ａ及び２Ｂにおけるローサイド電源端子ＶL1に対応するローサイド電源端子をも有している。
図３に示すように、電力モジュール３００は電力装置３０２ｃ及び３０２ｄをも有する。本例では、電力装置３０２ｃはハイサイド装置であり、電力装置３０２ｄはローサイド装置である。これらの電力装置３０２ｃ及び電力装置３０２ｄは、ハイサイド装置３０２ａ及びローサイド装置３０２ｄに類似するハーフブリッジ回路を構成する。従って、電力モジュール３００は、ハイサイド電源端子ＶH2と、ゲート端子ＧH2及びＧL2と、ハーフブリッジ出力端子Ｖout2とを有し、これらは図１、２Ａ及び２Ｂにおけるハイサイド電源端子ＶH1と、ゲート端子ＧH1及びＧL1とにそれぞれ対応する。電力モジュール３００は更に、図３には示していないが図１、２Ａ及び２Ｂにおけるローサイド電源端子ＶL1に対応するローサイド電源端子をも有する。電力装置３０２ｃ及び３０２ｄのこの特定の接続は、図２におけるハイサイド装置２０２ａ及びローサイド装置２０２ｂに類似する為に詳細には説明しない。
ある実施例では、電力装置３０２ｃ及び３０２ｄにより形成されたハーフブリッジ回路を、ハイサイド装置３０２ａ及び３０２ｂにより形成されたハーフブリッジ回路に結合させる。例えば、図１は、ハイサイド電源端子ＶH1及びＶH2を接続するハイサイド電源バス１０８と、ローサイド電源端子ＶL1及びＶL2を接続するローサイド電源バス１１０とを示しており、これらの電源端子は図３において同様に称した端子に対応する。これらのハーフブリッジ回路は例えば、フルブリッジ回路を形成するように又は多相インバータ回路のそれぞれの相を形成するように接続することができる。
図３は、ハイサイド基板３３０ａは、電力装置３０２ｄがハイサイド基板３３０ａをハイサイド装置３０２ａと共有する共通基板であることを示している。ハイサイド装置３０２ａと電力装置３０２ｄとの双方がハイサイド基板３３０ａ上にある。電力装置３０２ｄは、ハイサイド基板３３０ａに結合された電力端子（ローサイド電力端子）を有する。電力モジュール３００では、電力装置３０２ｄがハイサイド基板３３０ａの導電層３３４ａに電気的に接続されている。従って、図３に示す実施例では、電力モジュール３００が追加の電力装置を有するも、これらの各電力装置に対し追加の基板（例えば、ハイサイド基板３３０ａ及びローサイド基板３３０ｂ）を必要とすることがない。例えば、電力モジュール３００は電力モジュール２００に比べて２つの追加の電力装置を有するが、図２Ａ及び２Ｂにおけるハイサイド基板２３０ａに対応する基板３３０ｃのみを必要とするだけである。電力モジュール３００では、電力装置３０２ｃが基板３３０ｃ上にある。
本例では、電力装置３０２ｄがローサイド装置であるが、他の実施例では、電力装置３０２ｄをハイサイド装置とし、電力装置３０２ｃをローサイド装置とすることができる。更に、電力モジュール３００は電力装置３０２ｄ及び３０２ｃの双方を必要とするものではない。例えば、一実施例では、電力装置３０２ｃを設けることなく、電力装置３０２ｄを基板３３０ａ及び３３０ｃ上に形成する。又、電力モジュール３００には、図３に示す電力装置に加えて少なくとも１つの電力装置を設けることができること明らかである。例えば、一実施例では、電力モジュール３００を、６つの電力装置と、ハイサイド基板３３０ａ及びローサイド基板３３０ｂに類似する４つのみの基板（例えば、ＤＢＣ基板）とを有する３相インバータとする。
従って、上述したように、図１〜３の実施例においては、本発明によりＥＭＩ及び寄生性を低くして接続しうる電力装置を有するスタック型ハーフブリッジ電力モジュールを提供しうる。更に、電力装置から熱を容易に消散させることができる。従って、電力装置の性能はパッキングにより著しく制限されない。しかも、このスタック型ハーフブリッジ電力モジュールのフォームファクタを小さくするとともに、このスタック型ハーフブリッジ電力モジュールの電力密度を高くすることができる。
本発明の上述した説明から明らかなように、本発明の範囲を逸脱することなく本発明の概念を実行するのに種々の技術を用いることができる。更に、ある幾つかの実施例を参照して本発明を説明したが、当業者にとって明らかなように、本発明の精神及び本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の形態及び細部において変更を施すことができる。従って、上述した実施例はあらゆる点において例示的なものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。又、本発明は上述した特定の実施例に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の多くの配列変えや変更を達成しうるものである。

Claims (20)

  1. ハイサイド基板に結合されたハイサイド電力端子を有するハイサイド装置と、
    ローサイド基板に結合されたローサイド電力端子を有するローサイド装置と
    を具えるスタック型ハーフブリッジ電力モジュールであって、
    前記ハイサイド装置と前記ローサイド装置とは共通導電インタフェースの両側の面上に積層されており、
    前記共通導電インタフェースにより、前記ハイサイド装置のハイサイド出力端子を前記ローサイド装置のローサイド出力端子に電気的、機械的及び熱的に結合している
    スタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  2. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記共通導電インタフェースが金属又は金属合金であるスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  3. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記共通導電インタフェースが前記ハイサイド装置及び前記ローサイド装置に対するヒートシンクを構成しているスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  4. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記ハイサイド装置及び前記ローサイド装置の各々が、ダイオードと並列の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有しているスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  5. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記ハイサイド装置が前記ハイサイド基板上に位置し、前記ローサイド装置が前記ローサイド基板上に位置しているスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  6. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記ハイサイド基板及び前記ローサイド基板が熱伝導性であるスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  7. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記ハイサイド基板が前記ハイサイド装置から電気絶縁されたハイサイド導電層を有し、前記ローサイド基板が前記ローサイド装置から電気絶縁されたローサイド導電層を有しているスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  8. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記ローサイド装置が前記ローサイド基板に結合されたゲートを有するスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  9. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記ハイサイド出力端子が前記共通導電インタフェースの一面上に積層された少なくとも１つのダイにより形成されており、前記ローサイド出力端子が前記一面とは反対側にある前記共通導電インタフェースの他の面上に積層された少なくとも１つの他のダイにより形成されているスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  10. 請求項１に記載のスタック型ハーフブリッジ電力モジュールにおいて、前記ハイサイド装置が前記ハイサイド基板に焼結されているスタック型ハーフブリッジ電力モジュール。
  11. ハイサイド基板に結合されたコレクタ端子を有するハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）／ダイオード装置と、
    ローサイド基板に結合されたエミッタ端子を有するローサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置と
    を具えるスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールであって、
    前記ハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置と前記ローサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置とは共通導電インタフェースの両側の面上に積層されており、
    前記共通導電インタフェースにより、前記ハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置のエミッタ／陽極端子を前記ローサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置のコレクタ／陰極端子に電気的、機械的及び熱的に結合している
    スタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  12. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記共通導電インタフェースが金属又は金属合金であるスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  13. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記共通導電インタフェースが前記ハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置及び前記ローサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置のヒートシンクを構成しているスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  14. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記ハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置及び前記ローサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置の各々が、ダイオードと並列の絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有しているスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  15. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記ハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置が前記ハイサイド基板上に位置し、前記ローサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置が前記ローサイド基板上に位置しているスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  16. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記ハイサイド基板及び前記ローサイド基板が熱伝導性であるスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  17. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記ハイサイド基板が前記ハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置から電気絶縁されたハイサイド導電層を有し、前記ローサイド基板が前記ローサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置から電気絶縁されたローサイド導電層を有しているスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  18. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記コレクタ端子が前記ハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置のコレクタ／陰極端子であり、前記エミッタ端子が前記ローサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置のエミッタ／陽極端子であるスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  19. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記エミッタ／陽極端子は、前記共通導電インタフェースの一方の面上に積層された少なくとも１つのダイにより形成されており、前記コレクタ／陰極端子は、前記一方の面とは反対側の前記共通導電インタフェースの他方の面上に積層された少なくとも１つの他のダイにより形成されているスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
  20. 請求項１１に記載のスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュールにおいて、前記ハイサイド絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード装置は前記ハイサイド基板に焼結されているスタック型ハーフブリッジ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ／ダイオード電力モジュール。
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