JP2016092039A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高速信号パターンが形成された導体層の配線抵抗ロスを低減させる。
【解決手段】パワーモジュール（１）は、第１導体層（１１０）が形成された第１主面（１１）と第２導体層（１３０）が形成された第２主面（１２）とを有する基板（１０）と、第１導体層（１１０）側に搭載されたパワーデバイス（２０）と、第１導体層（１１０）と第２導体層（１３０）とを接続する貫通電極（１２０）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はパワーデバイスを搭載するパワーモジュールに関する。

近年、世界的に環境問題への取り組みが進む中で、風力・太陽光発電等の環境対応型エネルギー市場が拡大している。この市場の拡大に伴い、パワーモジュールの需要が急速に高まっている。このようなパワーモジュールにおいては、電気自動車、風力・太陽光発電装置等への搭載に対応するため、大電流化およびスイッチング速度の向上が要求される。

そこで、従来のパワーモジュールでは、上記要求に応えるべく、図５に示すように、パワーデバイス２０を搭載する側の面にのみ導体層１５０が形成されている基板１０ａが用いられている。そして、導体層１５０が形成されている面と反対側の面を、大電流を流すことによってパワーデバイス２０に発生する熱を放熱するための面として機能させている。また、パワーデバイス２０の電極（第１電極パット２１、第２電極パット２２）と導体層１５０とをフリップチップ接続させて、高速動作が可能な構造を採用している。さらに、基板１０ａの導体層１５０が形成されている面側には、パワーデバイス２０をスイッチング制御するためのドライバーチップ３０が搭載されるとともに、ジャンパー線１５１が設けられている。

また、大電流を扱うパワーモジュールにおいて、良好な放熱性を確保すべく、特許文献１には、絶縁フィルムの両面に導体層が形成されたパワーモジュールが開示されている。そして、当該パワーモジュールは、絶縁フィルムの第１主面の導体層および当該絶縁フィルムを貫通し、絶縁フィルムの第２主面の導体層が露出するデバイスホールを有し、パワー系半導体素子を第２主面の導体層の露出面に直接搭載している。この構造を採用することで、パワー系半導体素子に発生した熱を直接第２主面の導体層に伝えて、パワーモジュールの放熱性を高めている。

特開２０１２−２２７３２３号公報（２０１２年１１月１５日公開）

しかしながら、従来のパワーモジュールでは、大電流を扱うことから、導体層の厚さを厚くせざるを得ず、配線パターンの微細化が困難であった。そのため、高速信号用の微細なパターンを形成することができず、高速スイッチングに対応できないという問題点があった。

また、特許文献１に開示されたパワーモジュールは、パワー系半導体素子と第２主面の導体層とがアルミワイヤーで接続されている。しかし、このような構造は、大電流を流した場合にアルミワイヤーでの配線抵抗ロスが生じることから、高速スイッチングには不向きであった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、大電流を流した場合に、高速信号パターンが形成された導体層の配線抵抗ロスを低減させることができるパワーモジュールを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るパワーモジュールは、
第１導体層が形成された第１主面と、第２導体層が形成された第２主面とを有する基板と、
上記第１導体層側に搭載されたパワーデバイスと、
上記基板を貫通し、上記第１導体層と上記第２導体層とを接続する貫通電極と、を備え、
上記パワーデバイスの電極は、上記パワーデバイスの電極に対向して配置されている上記貫通電極と接続されていることを特徴としている。

本発明の一態様によれば、大電流を流した場合に第１導体層の配線抵抗ロスを低減させることができ、パワーデバイスの高速動作性を効率よく発揮させることができる。

（ａ）は、本発明の実施形態１に係るパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。（ｂ）は、上記パワーモジュールにおける、パワーデバイスおよびドライバーチップが搭載されている箇所付近の断面を拡大した概略図である。 本発明の実施形態２に係るパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態３に係るパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。（ｂ）は、上記パワーモジュールにおける、パワーデバイスおよびドライバーチップが搭載されている箇所付近の断面を拡大した概略図である。 本発明の実施形態４に係るパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。 従来のパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。

〔実施形態１〕
本発明に係る一実施形態について、図１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

＜パワーモジュール１の構成＞
図１の（ａ）は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール１の概略構成を示す断面図である。図１の（ｂ）は、パワーモジュール１における、パワーデバイス２０およびドライバーチップ３０が搭載されている箇所付近の断面を拡大した概略図である。パワーモジュール１は、パワーデバイスに加えて、当該パワーデバイスの駆動回路および自己保護機能等が組み込まれた半導体素子である。パワーモジュール１の用途としては、電気自動車、風力・太陽光発電装置、エレベーター、鉄道車両等がある。図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、パワーモジュール１は、基板１０、パワーデバイス２０、バンプ部２３、高温はんだ２４、ドライバーチップ３０、第１導体層１１０、貫通電極１２０および第２導体層１３０を備えている。

（基板１０）
基板１０は、板状の部材で、電子部品、集積回路およびこれらを繋ぐ配線等を高密度に実装するためのものである。第１導体層１１０が形成される幅広の面が第１主面１１となる。また、第２導体層１３０が形成される第１主面１１と反対側の面が第２主面１２となる。そして、基板１０の第１導体層１１０側にパワーデバイス２０が搭載される。さらに、基板１０には、第１主面１１と第２主面１２とを貫通する円形の貫通穴がレーザまたはドリル等を用いることで設けられており、当該貫通穴に貫通電極１２０が充填される。なお、貫通穴の形状は、貫通電極１２０の形状、ひいては後述する第１電極パット２１の形状によって決まるため、円形には限定されない。例えば、長方形、正方形等であってもよい。

基板１０としては、セラミックス基板またはガラスエポキシ基板（ガラス繊維にエポキシ樹脂を含有させて成型したもの）が用いられる。これらの基板を用いることで、基板そり、撓み等が抑制されて配線設計の自由度を高めることができる。また、セラミックス基板を用いた場合には、基板１０の放熱性が高まる。

なお、基板１０としてガラスエポキシ基板を用いた場合には、厚さが０．３ｍｍ未満であれば、基板反りまたは撓みが生じる虞がある。そのため、０．３ｍｍ以上の厚さのものを用いることが好ましい。但し、パワーモジュール１を様々な装置に実装可能とするためには、パワーモジュール１の大型化、すなわち基板１０の厚さが必要以上に厚くなることは好ましくない。そのため、厚さが２．０ｍｍを超えるガラスエポキシ基板を用いることは好ましくない。また、基板１０には、セラミックス基板およびガラスエポキシ基板以外のリジット基板のみならず、フレキシブル基板等を用いてもよい。

（パワーデバイス２０）
パワーデバイス２０は、電力の変換・制御、交流電源からの直流電源への変換（整流）等を行う半導体素子である。パワーデバイス２０の種類には、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ダイオードおよびＧａＮ系パワーデバイスをはじめとする化合物半導体系パワーデバイス等がある。本実施形態では、パワーデバイス２０としてＧａＮ系パワーデバイスを用いているが、その他の種類のものを用いてもよい。

図１の（ｂ）に示すように、パワーデバイス２０は、その第１主面１１と対向する面（以下、「下面」とする）側に第１電極パット（第１電極）２１および第２電極パット（第２電極）２２を有している。

第１電極パット２１は、大電流が流れる電極である。具体的には、第１電極パット２１は、パワーデバイス２０に供給される電源電圧および接地電圧、パワーデバイス２０からの出力電圧等が接続される電極である。第２電極パット２２は、第１電極パット２１を流れる電流よりも小さい電流が流れる電極である。具体的には、第２電極パット２２は、ドライバーチップ３０からの制御信号が入力される電極である。

第１電極パット２１および第２電極パット２２は、ともに円柱形状でアルミニウム製であり、また、第２電極パット２２よりも第１電極パット２１の方が、第１主面１１と平行な方向の断面積（以下、単に「断面積」とする）が大きくなっている。なお、両電極パットの形状は、本実施形態のような円柱形状に限定される訳ではなく、例えば、直方体形状であってもよい。

例えば、パワーデバイス２０がＭＯＳＦＥＴであれば、当該ＭＯＳＦＥＴのソース電極およびドレイン電極が第１電極パット２１に相当し、当該ゲート電極が第２電極パット２２に相当する。

また、図１の（ｂ）に示すように、第１電極パット２１の下面にはバンプ部２３が形成されており、第１電極パット２１と対向する位置に貫通電極１２０が配置されている。そして、第１電極パット２１と貫通電極１２０とは、バンプ部２３および高温はんだ２４を介して電気的に接続（後述するフリップチップ接続）されている。このように、断面積のより大きい第１電極パット２１と貫通電極１２０とを接続することで、貫通電極１２０とパワーデバイス２０の電極パットとの接続面積が広がる。そのため、第１電極パット２１に流れ込んでくる大電流を、効率よく第２導体層１３０に流すことができ、パワーモジュール１の高速動作性および放熱性をより向上させることができる。なお、第２電極パット２２と貫通電極１２０とをフリップチップ接続してもよい。

さらに、第２電極パット２２の下面にもバンプ部２３が形成されており、第２電極パット２２と第１導体層１１０とは、バンプ部２３および高温はんだ２４を介してフリップチップ接続されている。

（バンプ部２３）
バンプ部２３は、突起電極である複数のバンプ（金バンプ）により形成されている（図示しない）。基板１０とパワーデバイス２０およびドライバーチップ３０とをフリップチップ接続するために用いられる。

ここで、フリップチップ接続とは、基板上に各種チップを電気的に接続するための方法の一つである。チップ表面と基板とをワイヤ・ボンディング等のようにワイヤによって接続するのではなく、バンプによって接続する。ワイヤ・ボンディング等に比べて実装面積を小さくできるとともに、配線が短いために電気的特性が良いという特徴もある。また、チップの熱を基板に伝えやすいため，発熱が問題になる発光ダイオード（ＬＥＤ）の実装にも用いられている。

バンプの形成方法としては、金めっき、はんだめっき等を用いた電解めっき法の他、Ｎｉ（ニッケル）−Ａｕ（金）めっきを用いた非電解めっき法、金スタッド法、蒸着金膜またはスパッター金膜等の方法がある。バンプ部２３を構成するバンプの形成方法としては、前記いずれの方法を採用してもよい。

また、フリップチップ接続の接続方法として、本実施形態では、金−はんだ接合法を採用している。具体的には、パワーデバイス２０およびドライバーチップ３０を、基板１０上の所定位置（高温はんだ２４のペーストが塗られている箇所）に搭載し、ギ酸還元または水素還元等による還元雰囲気中で基板１０ごと熱することではんだ付けを行う（リフロー）。高温はんだ２４によるはんだ付けは、フラックスレスの状態で行う。このように熱することで、高温はんだ２４が溶融し、金バンプとの金−はんだ合金による金属合金が形成されることで、パワーデバイス２０およびドライバーチップ３０と基板１０とが接合される。高温はんだ２４を選択したのは、パワーモジュール１が２次実装される際に、接続箇所が溶融して不具合を生じないようにするためである。なお、フリップチップ接続の接続方法としては、導電性接着剤（導電性ペースト）による接着、熱を加える圧着または超音波による接合等を採用してもよい。

（高温はんだ２４）
図１の（ｂ）に示すように、高温はんだ２４は、ペーストの状態で、貫通電極１２０の第１主面１１側の面（以下、「上面」とする）上に塗られている。また、高温はんだ２４は、第１導体層１１０のパワーデバイス２０およびドライバーチップ３０と対向する面（以下、「上面」とする）における、第２電極パット２２、第３電極パット３１および第４電極パット３２が配置される位置の直下の箇所にも塗られている。

なお、バンプ部２３と貫通電極１２０および第１導体層１１０との接続は、高温はんだ２４によってなされる必要はない。高温はんだ２４の代わりとして、例えば、低温焼結銀ペースト、金ペースト等を用いてもよい。この場合、バンプ部２３を構成する金バンプの表面を銀または金にしておくだけでなく、第１導体層１１０の上面および貫通電極１２０の上面も銀または金にしておくことで、より良好な接続が得られる。また、低温焼結銀ペーストを用いる場合、接続跡は銀バルクになるので、２次実装の際に接続箇所が再溶融することがなく、安定した接続が得られる。

（ドライバーチップ３０）
ドライバーチップ３０は、パワーデバイス２０の動作をスイッチング制御するための半導体素子である。図１の（ｂ）に示すように、その第１主面１１と対向する面（以下、「下面」とする）側に第３電極パット３１および第４電極パット３２を有している。第３電極パット３１および第４電極パット３２は、ともに円柱形状でアルミニウム製である。

また、第３電極パット３１および第４電極パット３２の下面にはバンプ部２３が形成されており、両電極パットと第１導体層１１０とは、バンプ部２３および高温はんだ２４を介してフリップチップ接続されている。

（第１導体層１１０）
第１導体層１１０は、その上面に高速信号用の第１配線パターンが形成されており、１／２オンス（約１８μｍ）の銅箔を用いて作製される。具体的には、第１主面１１上に前記銅箔を貼り付け、貫通電極１２０の上面を露出させるための開口部（図示しない）をエッチング等によって設ける。次に、電解Ｎｉめっき（１μｍ〜１０μｍ）、電解Ａｕめっき（０．０１μｍ〜０．５μｍ）または電解Ａｇ（銀）めっき（０．０１μｍ〜０．５μｍ）で上記銅箔の表面をめっき処理することにより、図１の（ｂ）に示すようなめっき層２５を形成する。次に、めっき処理された銅箔の上面（第１導体層１１０の上面に相当）をエッチング等によってパターニングすることで、第１導体層１１０が作製される。

第１導体層１１０に銅箔を用いることで、第１配線パターンとしてミアンダ配線を用いることできる。そのため、タイミング調整を容易に行うことが可能となり、パワーデバイス２０の高速動作性をより効率よく発揮させることができる。

（貫通電極１２０）
貫通電極１２０は、パワーデバイス２０用の大電流を第２導体層１３０に流すための円柱形状の電極であり、基板１０に設けられた貫通穴に充填されることで、第１導体層１１０と第２導体層１３０とを接続する。ここで、図１の（ｂ）に示すように、貫通電極１２０の貫通方向と垂直な方向の断面積（以下、単に「断面積」とする）は、第１電極パット２１の断面積と略同一となっている。このことによって、第１電極パット２１に流れ込んでくる大電流を、効率よく第２導体層に流すことができる。そのため、パワーモジュール１の高速動作性および放熱性をより向上させることができる。なお、前記高速動作性および放熱性の向上ためには、貫通電極１２０の断面積が、少なくとも第１電極パット２１の断面積の２分の１以上になっていることが好ましい。但し、第１主面１１および第２主面における他の部品の実装面積を確保する観点から、貫通電極１２０の断面積が、第１電極パット２１の断面積の２倍を超えることは好ましくない。

また、図１の（ｂ）に示すように、貫通電極１２０の一部は、第１電極パット２１（または第２電極パット２２）、換言すれば、パワーデバイス２０の電極に対向して配置されるようになっている。したがって、第１導体層１１０の開口部から貫通電極１２０の上面を露出させることで、第１電極パット２１と貫通電極１２０とをフリップチップ接続することが可能となっている。このような貫通電極１２０の配置とすることで、パワーデバイス２０に発生した熱を、貫通電極１２０を通じて第２導体層１３０に効率的に逃がすことができる。

貫通電極１２０としては、導体の表面に電解めっき等によって銅膜または金膜または銀膜が形成された、基板１０の貫通穴と略同一直径の円柱体が用いられる。銅ペースト、金ペーストまたは銀ペーストを前記貫通穴に充填してもよい。このような材料を用いることで、貫通電極１２０の電気抵抗を抑制することができ、高速スイッチングが可能となる。また、熱伝導率が高いことから発熱による電力ロスが少なく、大電流を流すのに好適である。なお、貫通電極１２０の形状は円柱形状に限定されず、例えば、直方体形状であってもよい。

（第２導体層１３０）
第２導体層１３０は、その基板１０に接触している面と反対側の面（以下、「下面」とする）に大電流用の第２配線パターンが形成されている。扱う電流の大きさによって、２オンス（約７０μｍ）または３オンス（約１００μｍ）の銅箔を用いて作製される。具体的には、基板１０に貫通電極１２０が充填された後、第２主面１２上に前記銅箔を貼り付けることで、当該銅箔と貫通電極１２０とを接触させる。次に、電解Ｎｉめっき（１μｍ〜１０μｍ）、電解Ａｕめっき（０．０１μｍ〜０．５μｍ）または電解Ａｇめっき（０．０１μｍ〜０．５μｍ）で当該銅箔の表面をめっき処理することにより、図１の（ｂ）に示すようなめっき層２５を形成する。そして、めっき処理された銅箔の下面（第２導体層１３０の下面に相当）をエッチング等によってパターニングすることで、第２導体層１３０が作製される。

ここで、第２導体層１３０の厚さは、第１導体層１１０の厚さよりも厚くなっている。一般に、半導体装置において大電流を扱うためには、導体層の厚さが厚い方が好ましい。したがって、大電流が貫通電極１２０を通じて第２導体層１３０に流れるような構造にすることで、大電流を扱うのにより好適なパワーモジュール１を実現することができる。ひいては、パワーデバイス２０の高速動作性をより効率よく発揮させることができる。また、貫通電極１２０を通じて大電流を第２導体層１３０に流すことにより、第１導体層１１０の薄膜化による配線パターンの微細化が可能となる。そのため、大電流を流した場合であっても高速な信号伝達が可能となるパワーモジュール１を実現することができる。

なお、必ずしも、第２導体層１３０の厚さが第１導体層１１０の厚さよりも厚くなるようにする必要はない。例えば、第２導体層１３０の厚さと第１導体層１１０の厚さとを同一にしてもよいし、第２導体層１３０の厚さが第１導体層１１０の厚さよりも薄くなるようにしてもよい。

＜パワーモジュール１の構造が有する意義＞
一般に、パワーモジュールは大電流を扱うため、基板に形成する導体層の厚さを厚くする必要がある。そして、導体層に形成される配線パターンのデザインルールは、導体層の厚さに依存していることから、パワーモジュールを基板に搭載する場合には、配線パターンの微細化が困難であった。一方、ドライバーチップ等の制御系チップからパワーデバイスに制御信号を送るためには、高速な信号伝達が必要なことから、基板に形成する導体層の厚さを薄くして配線パターンを細かくする必要があった。したがって、従来のパワーモジュールのような、基板の片面のみに導体層が形成されている構造（図５参照）では上記制御信号を送るための配線パターンを粗くせざるを得ず、制御系チップからの高速な信号伝達が困難であった。そのため、パワーデバイスの高速動作性を十分に発揮できないという問題があった。

上記問題点を解決する方法としては、基板の両面に導体層を形成して、その一方を大電流用の導体層（厚さの厚いもの）とするパワーモジュールの構造が考えられる。この構造では、厚さの薄い導体層において高速信号用の微細な配線パターンを形成することが可能となる。しかし、高速信号用の配線パターンに大電流を流すと配線抵抗ロスが大きくなってしまい、パワーデバイスの高速動作性を効率よく発揮できなくなってしまう。

そこで、本実施形態に係るパワーモジュール１のように、パワーデバイス２０の大電流を扱う第１電極パット２１に対して、その断面積が第１電極パット２１の断面積と略同一の貫通電極１２０を基板１０の貫通穴に充填させてフリップチップ接続させる。また、貫通電極１２０を介して、第１導体層１１０と大電流用の第２配線パターンが形成された第２導体層１３０とを接続させる（図１の（ａ）および（ｂ）参照）。

このような構造を採用することで、第１導体層１１０における高速信号用の第１配線パターンに大電流を流した場合、その厚さ方向、すなわち、貫通電極１２０を通じて第２導体層１３０に向けて大電流が流れるようになる。そのため、第１導体層１１０における配線抵抗ロスが低減され、効率的に第１配線パターンと第２配線パターンとを使用することが可能となった。また、貫通電極１２０を通じて、厚さの厚い第２導体層１３０に熱を逃がすことができるようになったため、より大きな電流を扱うことが可能となった。

＜効果＞
以上のように、本実施形態によれば、第１導体層１１０と第２導体層１３０とを接続する貫通電極１２０が、パワーデバイス２０の電極（第１電極パット２１）に対向して配置され、当該電極とフリップチップ接続されている。また、大電流用の第２配線パターンが形成された第２導体層の厚さが、高速信号用の第１配線パターンが形成された第１導体層の厚さよりも厚い。したがって、第１導体層１１０に大電流を流した場合であっても、貫通電極１２０を通じて第１導体層１１０の厚さ方向に大電流が流れるため、第１導体層１１０における配線抵抗ロスを低減させることができる。そのため、第１導体層１１０に高速信号用の第１配線パターンを形成した場合に、貫通電極１２０を通じて大電流を第２導体層１３０に流すことで、パワーデバイス２０の高速動作性を効率よく発揮させることができる。

また、大電流が流れることによってパワーデバイス２０に発生する熱を、貫通電極１２０を通じて第２導体層１３０に放熱できることから、パワーモジュール１は、より大電流を扱うことができる。そのため、パワーモジュール１は、高速動作性の高いパワーデバイスの性能を効率よく発揮させることができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本実施形態に係るパワーモジュール２は、銅箔で作製された第１導体層１１０に代えて、導電性ペーストで作製された第１導体層１１１を備えている点で、実施形態１に係るパワーモジュール１と異なる。また、高温はんだ２４の代わりに、低温焼結銀ペースト（図示しない）が用いられている点でも、実施形態１に係るパワーモジュール１と異なる。

＜第１導体層１１１＞
図２は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール２の概略構成を示す断面図である。図２に示すように、基板１０の第１主面１１上には、第１導体層１１１が形成されている。

第１導体層１１１は、導電性ペーストを用いて作製され、プリント配線の技術によって高速信号用の第１配線パターンが形成されている。プリント配線で配線パターンが形成されていることから、配線設計の自由度が高まるとともに、配線パターンの高密度化を図ることができる。また、第１導体層１１１の一層の軽薄化を図ることもできる。

導電性ペーストとしては、接着性能を担う樹脂（例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂またはシリコーン樹脂等）に、導電性を担う粒径（体積平均径）０．１μｍ〜１０μｍ程度の銀マイクロフィラーを混合させたものを使用した。この導電性ペーストは、粘度３００Ｐａ・Ｓ、チクソ比４、スクリーン♯３００、バイアス４５度の特性を有し、第１導体層１１１の厚さとして、３０μｍの厚さを得た。また、第１導体層１１１の配線パターンについては、配線パターンの線幅／線間を０．１ｍｍ／０．１５ｍｍとすることができた。なお、導電性ペーストには、導電性粒子として金、銅等の金属粒子を樹脂に混合させたものを用いてもよい。

また、配線パターンが形成された導電性ペーストを硬化させることで第１導体層１１１を形成する。そして、バンプ部２３を構成する各バンプの表面を銀としておき、高温はんだ２４の代わりに低温焼結銀ペーストを用いることで第２電極パット２２と第１導体層１１１とをフリップチップ接続する（図１の（ａ）参照）。このように、各バンプの表面、低温焼結銀ペーストおよび第１導体層１１１を同種の材質とすることにより、フリップチップ接続をより良好に行うことができる。

＜効果＞
以上のように、本実施形態によれば、導電性ペーストを用いたプリント配線の技術によって、第１導体層１１１の第１配線パターンが形成されている。そのため、配線パターンの高密度化・第１導体層１１１の軽薄化を図ることができ、パワーデバイス２０の高速動作性を効率よく発揮させることができる。また、プリント配線によって簡易に配線パターンを形成することができることから、低コスト化を実現できるとともに、パワーモジュール２の製造工程の短縮化を図ることもできる。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図３に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本実施形態に係るパワーモジュール３は、表面にめっき処理が施された導体からなる貫通電極１２０に代えて、金属棒からなる貫通電極１２１を備えている点で、実施形態１および２に係るパワーモジュール１および２と異なる。また、第２導体層１３０に代えて、貫通穴が設けられている第２導体層１３１を備えている点でも、実施形態１および２に係るパワーモジュール１および２と異なる。さらに、高温はんだ２４に代えて、低温焼結銀ペースト１４が用いられている点については、実施形態１に係るパワーモジュール１と異なる。

＜パワーモジュール３の構成＞
以下に、図３を用いて、パワーモジュール３の構成について説明する。図３の（ａ）は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール３の概略構成を示す断面図である。図３の（ｂ）は、パワーモジュール３における、パワーデバイス２０およびドライバーチップ３０が搭載されている箇所付近の断面を拡大した概略図である。

基板１０の第２主面１２上に銅箔を貼り付けた後、レーザ、ドリル等で基板１０および銅箔に、貫通電極１２１（円柱形状の金属棒）の直径と略同一の径（本実施形態では、０．２４ｍｍ）の貫通穴を設ける。その後、ダイスで固定した上で、圧入する形で、貫通電極１２１を貫通穴に挿入する。そして、電解Ｎｉめっき（１μｍ〜１０μｍ）、電解Ａｕめっき（０．０１μｍ〜０．５μｍ）または電解Ａｇめっき（０．０１μｍ〜０．５μｍ）で銅箔の表面をめっき処理することにより、図３の（ｂ）に示すようなめっき層２５を形成する。そして、めっき処理された銅箔の下面（第２導体層１３１の下面に相当）をエッチング等によってパターニングすることで、図３の（ａ）および（ｂ）に示すような、第２導体層１３１が作製される。なお、第２導体層１３１の厚さが、第１導体層１１０の厚さよりも厚くなっている点は第２導体層１３０と同様である。

貫通電極１２１としては、物性値およびコストの面から銅製の金属棒を用いるのが好ましい。但し、導電性で、且つ、熱伝導率が高ければ他の材質の金属棒を用いてもよい。また、貫通電極１２１の形状は、円柱形状に限られず、例えば、直方体形状であってもよい。また、貫通電極１２１と第１電極パット２１とは、バンプ部２３および低温焼結銀ペースト１４（硬化温度２００℃〜３００℃）を介してフリップチップ接続されている。

＜効果＞
導体の表面に電解めっき処理が施されたもの、または導電性ペーストを貫通電極１２０として基板１０に充填する場合、アスペクト比（基板１０の厚さ／貫通穴の径との比）が１を超えると、未充填の箇所が生じる虞がある。未充填の箇所の電気抵抗は大きくなることから、大電流を効率的に第２導体層１３１に流すことが困難になる。その点、貫通電極１２１として金属棒を用いた場合には、未充填の問題は生じない。そのため、基板１０の厚さにかかわらず第２導体層１３１に大電流を効率よく流すことができ、パワーモジュール３の製作時において、基板選択の自由度が増す。

〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本実施形態に係るパワーモジュール４は、貫通電極１２０に代えて貫通電極１２１を備えている点、第２導体層１３０に代えて第２導体層１３１を備えている点で、実施形態１および２に係るパワーモジュール１および２と異なる。また、第１導体層１１０および１１１に代えて、フレキシブル配線基板１４２を構成している第１導体層１４０を備えている点、第１導体層１４０が基板１０と離間している点については、実施形態１〜３に係るパワーモジュール１〜３と異なる。

＜パワーモジュール４の構成＞
以下に、図４を用いて、パワーモジュール４の構成について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール４の概略構成を示す断面図である。図４に示すように、パワーモジュール４は、フレキシブル配線基板１４２を備えている。

（フレキシブル配線基板１４２）
フレキシブル配線基板１４２は、柔軟性があり大きく変形させることができるプリント基板である。フレキシブル配線基板１４２は、図４に示すように、絶縁フィルム１４１の第１主面１１と対向する面（以下、「下面」とする）上に、銅箔を貼り付けて作製した第１導体層１４０が形成されている構成となっている。

絶縁フィルム１４１は、ポリアミド、液晶ポリマー等の有機材料からなるフィルム基材であり、その厚さは、一般に１２μｍ〜５０μｍの範囲のものが使用される。また、第１導体層１４０の第１配線パターンは、錫めっきによって形成される。なお、第１導体層１４０の形状・材質等については、既に説明した第１導体層１１０と同様であるため、その説明を省略する。

（各部材とフレキシブル配線基板１４２との接続）
パワーデバイス２０およびドライバーチップ３０は、ＴＣＰ（Tape Carrer Package）の技術を転用することによって、フレキシブル配線基板１４２と接続している。ここで、ＴＣＰとは、半導体素子をテープフィルムと接続し、樹脂で封止するＴＡＢ（tapeautomated bonding）の技術を用いたパッケージのことをいう。具体的には、図示しないが、パワーデバイス２０およびドライバーチップ３０の各電極パットの下面に、複数の金バンプからなるバンプ部を形成する。そして、第１導体層１４０における絶縁フィルム１４１との非接触部分とバンプ部とをＡｕ−Ｓｎ（錫）接続したのち、当該接続箇所周辺を樹脂で封止する。

また、貫通電極１２１が第１主面１１から０．１ｍｍ程度突出した状態で、貫通電極１２１はフレキシブル配線基板１４２と接続している。また、貫通電極１２１はパワーデバイス２０とも接続している。具体的には、貫通電極１２１に対してフレキシブル配線基板１４２を所定の位置に位置合わせした上で、金めっき処理が施された貫通電極１２１の上面と、第１導体層１４０の下面とをＡｕ−Ｓｎ接続する。また、貫通電極１２１の上面は、第１電極パット２１の下面に形成されたバンプ部（金バンプによって構成）と、熱圧着によってＡｕ−Ａｕ接続される。

なお、パワーモジュール４に用いられる貫通電極は、金属棒である貫通電極１２１に限定される訳ではなく、例えば、導体の表面を銅膜または金膜で覆った貫通電極１２０を用いてもよい。

（貫通電極１２１の突出部分）
貫通電極１２１の突出部分の高さについては、貫通電極１２１にフレキシブル配線基板１４２を熱圧着させることから、荷重による基板の反り等を考慮して、５０μｍ〜５００μｍ程度は必要となる。また、この程度の高さであれば、荷重による貫通電極１２１の変形は問題とならない。本実施形態では、突出部分の高さを０．１ｍｍ程度としているが、貫通電極１２１に変形は見られなかった。

また、このように貫通電極１２１を突出させて、フレキシブル配線基板１４２と基板１０とを離間させる、具体的には、第１導体層１４０の下面と第１主面との間に空間を設けることによって、フレキシブル配線基板１４２の変形を可能としている。

＜効果＞
以上のように、本実施形態によれば、フレキシブル配線基板１４２にパワーデバイス２０およびドライバーチップ３０が搭載される。そのため、パワーデバイス２０の高速動作性を効率よく発揮させるパワーモジュール４を、可動部品へ配線したり立体的に配線したりすることが可能となる。具体的には、折り畳み型携帯電話機のヒンジ部を通る配線、基板１０から離れた位置にある部品に電気信号を伝達する配線等が可能となる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係るパワーモジュール（１、２、３、４）は、
第１導体層（１１０、１１１、１４０）が形成された第１主面（１１）と、第２導体層（１３０、１３１）が形成された第２主面（１２）とを有する基板（１０）と、
上記基板の上記第１導体層側に搭載されたパワーデバイス（２０）と、
上記基板を貫通し、上記第１導体層と上記第２導体層とを接続する貫通電極（１２０、１２１）と、を備え、
上記パワーデバイスの電極（第１電極パット２１、第２電極パット２２）は、上記パワーデバイスの電極に対向して配置されている上記貫通電極と接続されている。

上記の構成によれば、第１導体層と第２導体層とを接続する貫通電極が、パワーデバイスの電極に対向して配置され、当該電極と接続されている。したがって、パワーデバイスに大電流を流した場合であっても、第１導体層の厚さ方向に大電流が流れるため、第１導体層における配線抵抗ロスを低減させることができる。そのため、第１導体層に高速信号パターンを形成した場合に、大電流を効率よく第２導体層に流すことができ、パワーデバイスの高速動作性を効率よく発揮させることができる。

また、大電流が流れることによってパワーデバイスに発生する熱を、貫通電極を通じて第２導体層に放熱できることから、本発明に係るパワーモジュールは、より大電流を扱うことができる。そのため、上記パワーモジュールは、高速動作性の高いパワーデバイスの性能を効率よく発揮させることができる。

本発明の態様２に係るパワーモジュールは、上記態様１において、
上記第１導体層には高速信号用の第１配線パターンが形成され、
上記第２導体層には大電流用の第２配線パターンが形成され、
上記第１導体層の厚さは、上記第２導体層の厚さよりも薄いことが好ましい。

一般に、半導体装置において大電流を扱うためには、導体層の厚さが厚い方が好ましい。一方、半導体装置において高速な信号伝達を行うためには、導体層の厚さが薄い方が好ましい。上記の構成によれば、大電流用の第２配線パターンが形成された第２導体層の厚さが、高速信号用の第１配線パターンが形成された第１導体層の厚さよりも厚い。そのため、大電流が貫通電極を通じて第２導体層に流れることによって、大電流を扱うのにより好適なパワーモジュールを実現することができる。ひいては、パワーデバイスの高速動作性をより効率よく発揮させることができる。

また、貫通電極を通じて大電流を第２導体層に流すことにより、第１導体層の薄膜化による配線パターンの微細化が可能となる。そのため、大電流を流した場合であっても高速な信号伝達が可能となるパワーモジュールを実現することができる。

本発明の態様３に係るパワーモジュールは、上記態様１または２において、
上記パワーデバイスの電極は、第１電極（第１電極パット２１）と、上記第１電極を流れる電流よりも小さい電流が流れる第２電極（第２電極パット２２）とを有し、
上記第１電極が、上記第１電極に対向して配置されている上記貫通電極とフリップチップ接続されていることが好ましい。

上記の構成によれば、第１電極の第１主面と平行な方向の断面積を第２電極の当該断面積よりも大きくすることで、貫通電極におけるパワーデバイスの電極との接続面積を広げることができる。そのため、第１電極に流れ込んでくる大電流を、効率よく第２導体層に流すことができ、本発明に係るパワーモジュールの高速動作性および放熱性をより向上させることができる。

なお、上記態様１から３のいずれかに係るパワーモジュールにおいては、
上記第１導体層は、銅からなることが好ましい。

上記の構成によれば、第１導体層の配線パターンとしてミアンダ配線を用いることできる。そのため、タイミング調整を容易に行うことが可能となり、パワーデバイスの高速動作性をより効率よく発揮させることができる。

また、上記態様１から３のいずれかに係るパワーモジュールにおいては、
上記基板は、セラミックス基板であることが好ましい。

上記の構成によれば、高速動作性および放熱性に優れたパワーモジュールにおいて、基板のそり、撓みを抑制して、第１および第２導体層における配線設計の自由度を高めることができる。また、上記パワーモジュールの放熱性をより向上させることができる。

また、上記態様１から３のいずれかに係るパワーモジュールにおいては、
上記基板は、厚さが０．３ｍｍ以上のガラスエポキシ基板であることが好ましい。

上記の構成によれば、高速動作性および放熱性に優れたパワーモジュールにおいて、基板のそり、撓みを抑制して、第１および第２導体層における配線パターン設計の自由度を高めることができる。

また、上記態様１から３のいずれかに係るパワーモジュールにおいては、
上記貫通電極における貫通方向と垂直な方向の断面積は、上記パワーデバイスの電極における上記第１主面と平行な方向の断面積の２分の１以上であることが好ましい。

上記の構成によれば、パワーデバイスの電極において、貫通電極との接続面積が当該電極の表面の２分の１以上を占めることになる。したがって、パワーデバイスの電極に流れ込んでくる大電流を、効率よく第２導体層に流すことができる。そのため、本発明に係るパワーモジュールの高速動作性および放熱性をより向上させることができる。

また、上記態様１から３のいずれかに係るパワーモジュール（２）においては、
上記第１導体層（１１１）は、プリント配線によって形成されることが好ましい。

上記の構成によれば、高速動作性および放熱性に優れたパワーモジュールについて、第１導体層における配線パターン設計の自由度を高めるとともに、配線パターンの高密度化を図ることができる。

本発明の態様４に係るパワーモジュール（３、４）は、上記態様１から３のいずれかにおいて、
上記貫通電極（１２１）は、金属棒であることが好ましい。

上記の構成によれば、基板に設けられた貫通穴に金属棒である貫通電極を充填した場合、基板の厚さにかかわらず当該貫通孔に未充填の箇所が生じる虞はない。そのため、基板の厚さにかかわらず第２導体層に大電流を効率よく流すことができ、パワーモジュールの製作時において、基板選択の自由度が増す。

本発明の態様５に係るパワーモジュール（４）は、上記態様１から４のいずれかにおいて、
上記第１導体層（１４０）と絶縁フィルム（１４１）とを有するフレキシブル配線基板（１４２）をさらに備え、
上記パワーデバイスは、上記フレキシブル配線基板に搭載され、
上記第１導体層と上記基板とは離間していることが好ましい。

上記の構成によれば、柔軟性があり変形可能なフレキシブル配線基板にパワーデバイスが搭載される。そのため、パワーデバイスの高速動作性を効率よく発揮させるパワーモジュールを、可動部品へ配線したり立体的に配線したりすることが可能となる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、パワーデバイスを搭載するパワーモジュール全般に利用することができる。

１、２、３、４ パワーモジュール
１０ 基板
１１ 第１主面
１２ 第２主面
２０ パワーデバイス
２１ 第１電極パット（第１電極）
２２ 第２電極パット（第２電極）
１１０、１１１、１４０ 第１導体層
１２０、１２１ 貫通電極
１３０、１３１ 第２導体層
１４１ 絶縁フィルム
１４２ フレキシブル配線基板

Claims (5)

1. 第１導体層が形成された第１主面と、第２導体層が形成された第２主面とを有する基板と、
   上記基板の上記第１導体層側に搭載されたパワーデバイスと、
   上記基板を貫通し、上記第１導体層と上記第２導体層とを接続する貫通電極と、を備え、
   上記パワーデバイスの電極は、上記パワーデバイスの電極に対向して配置されている上記貫通電極と接続されていることを特徴とするパワーモジュール。
2. 上記第１導体層には高速信号用の第１配線パターンが形成され、
   上記第２導体層には大電流用の第２配線パターンが形成され、
   上記第１導体層の厚さは、上記第２導体層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 上記パワーデバイスは、第１電極と、上記第１電極を流れる電流よりも小さい電流が流れる第２電極とを有し、
   上記第１電極が、上記第１電極に対向して配置されている上記貫通電極とフリップチップ接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
4. 上記貫通電極は、金属棒であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
5. 上記第１導体層と絶縁フィルムとを有するフレキシブル配線基板をさらに備え、
   上記パワーデバイスは、上記フレキシブル配線基板に搭載され、
   上記第１導体層と上記基板とは離間していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。

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