JP2020205410A - 内部 パワーモジュールにおける基板構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュールにおける基板構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】パワーモジュールにおける基板構造は、その表面上に少なくとも１つの凹部１１を備える金属ベース１と、凹部１１上に形成された金属パターン層３と、金属ベース１と金属パターン層３との間に介在する絶縁フィルム２と、を備える。絶縁フィルム２は、凹部１１を適合する形状である。【効果】この設計により、熱は凹部１１を通って金属ベース１内に急速に放散され、パワーモジュールの過熱を防止することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、パワーモジュールにおける基板構造およびその製造方法に関する。

パワーモジュールにおける金属基板のための現在の構造は、金属ベース１００（銅またはアルミニウムなど）と、金属ベース上に形成された絶縁フィルム２００と、絶縁フィルム２００上に形成された金属パターン層３００と、を備える。パワーチップ４００は、金属基板上に設けられ、はんだ材料（図示せず）によって金属パターン層３００に接続されている。パワーモジュールの性能の信頼性を高めるために、パワーチップの頻繁なスイッチオンおよびスイッチオフの間に発生する熱を、放散させる必要がある。

パワーモジュールの熱性能を改善する１つの方法は、パワーチップと金属ベースとの間の熱抵抗を下げることである。金属パターン層とはんだ材料の両方が高い熱伝導率を有するため、パワーモジュールの熱性能に影響する主な要因は、絶縁フィルムである。従来の解決策の一つは、絶縁フィルムを使用する代わりに、金属ベースと金属パターン層との間にＤＢＣ(ダイレクトボンド銅）層を形成することである。ＤＢＣが、より高い熱伝導率（２０Ｗ／ｍ・Ｋ−１８０Ｗ／ｍ・Ｋ）を有するためである。しかしながら、ＤＢＣの膨張率が銅の膨張率と異なるために製造中に生じる変形は言うまでもなく、ＤＢＣ材料のコストが高く、結果的にＤＢＣの厚さが３００ｍｍを超えるため、この解決策は理想的ではない。

パワーモジュールの熱伝導率を改善するために、パワーモジュールにおける基板構造を提案する。本発明の別の態様は、前述の基板構造を製造する方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、パワーモジュールにおける基板構造は、その表面上に少なくとも１つの凹部を備える金属ベースと、凹部上に形成された金属パターン層と、金属ベースと金属パターン層との間に介在する絶縁フィルムと、を備える。絶縁フィルムは凹部に適合する形状である。

本発明の別の態様によれば、パワーモジュールにおける基板構造の製造方法は、金属ベースを供給するステップと、金属ベースの表面上に少なくとも１つの第１凹部を予め成形するステップと、金属ベースの表面上に絶縁フィルムを形成するステップであって、絶縁フィルムは第１凹部に適合する形状であるステップと、絶縁フィルム上に金属層を形成するステップであって、金属層は、第１凹部に対応する第１領域と、第２領域と、を備え、第１領域は少なくとも１つのプレス部分を備えるステップと、プレス部分をプレスするステップであって、金属層の上面の上に少なくとも１つの第２凹部を形成し、それによって、金属層の他方の表面を第１凹部に適合する形状にするステップと、金属層を平坦化するステップと、金属層をエッチングして前記第２領域を除去するステップと、を含む。

本発明の別の態様によれば、パワーモジュールにおける基板構造の製造方法は、金属ベースを供給するステップと、金属ベースの表面上に少なくとも１つの凹部を予め成形するステップと、金属ベースの表面上に絶縁フィルムを形成するステップであって、絶縁フィルムは凹部に適合する形状であるステップと、絶縁フィルム上に金属層を形成するステップであって、金属層は、第１領域および第２領域を備え、第１領域は凹部に対応する凸部を備え、凸部を凹部と位置合わせするステップと、金属層を絶縁フィルムにプレスするステップと、金属層をエッチングして第２領域を除去するステップと、を含む。

この設計により、熱流領域の増加に伴って、熱抵抗が低減される。熱は、凹部を通って金属ベース内に急速に放散される。

パワーモジュールの従来の構造の断面図である。 本発明の一実施形態によって開示される、（パワーチップを備える）基板構造の断面図である。 本発明の別の実施形態によって開示される、台形の凹部を備える基板構造の断面図である。 絶縁フィルムで覆われた予め成形された金属ベース上に金属層を形成する場合の、構造の断面図である。 プレスによる第２凹部の形成を示す図である。 金属層を研磨した後に、第１領域を覆い、第２領域を露出させるマスクの形成を示す図である。 第２凹部に導電性ペーストを充填して金属層を平坦化した状態の断面図である。 金属層が平坦化された後に、第１領域を覆い、第２領域を露出させるマスクの形成を示す図である。 本発明の別の実施形態によって開示される、複数の連続するディンプルを備える基板構造の断面図である。 金属層を絶縁フィルムに押し付けて、予め成形された金属ベースの凹部に適合させる状態の断面図である。

ここで図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図２〜図１０は、本発明の実施形態による基板構造および基板構造を製造するプロセスの断面図を示す。

図２に示すように、パワーモジュールにおける基板構造は、その上面の上に凹部１１を備える金属ベース１と、凹部１１上に形成された金属パターン層３と、を備える。金属パターン層３上には、パワーチップ５が設けられている。それぞれの凹部の幅は、パワーチップの幅に近い。基板構造は、金属ベース１と金属パターン層３との間に介在する絶縁フィルム２を更に備える。絶縁フィルム２は凹部１１に適合する形状である。金属パターン層３は、パワーチップ、電源および他の電気素子との間の電気接続を供給する。パワーモジュールの電源を入れた後には、パワーチップによって熱が発生するため、加熱が防止されるべきである。

好適には、熱伝導性が高いことを理由として、金属ベース１および金属パターン層３の両方が銅製である。また、金属ベース１および金属パターン層３を形成するために、アルミニウムを用いる場合もある。したがって、パワーチップと金属ベースとの間の放熱に影響を及ぼす主な要因は、絶縁フィルム２の熱伝導率である。絶縁フィルム２は、ほとんどの場合、（シリコン樹脂のような）樹脂製である。代替的な実施形態において、絶縁フィルムとして、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムまたは酸化シリコンを使用することもできる。

凹部１１により、絶縁フィルム２が成形される。また、絶縁フィルム２と金属ベース１との間の接触面積が増加する。熱抵抗は接触面積に反比例するために、熱抵抗が低減される。そして、絶縁フィルム２と金属ベース１との間の界面を介して、熱が速やかに放散される。

この実施形態において、湾曲する凹部が使用されている。しかしながら、当業者は、三角形または台形のような他の形状を有する凹部もまた、接触面積を増加させるために使用され得ることを理解するであろう。別の実施形態においては、図３を参照すると、台形の凹部１３が使用されている。

ここで図４〜図６を参照すると、本発明の基板構造を製造するために使用される例示的なプロセスフローが示される。まず、第１凹部１１を備えて予め成形された金属ベース１が供給される。そして、金属ベースの上面の上に絶縁フィルム２が形成される。本実施形態において、絶縁フィルムは酸化アルミニウムペーストで形成されている。酸化アルミニウムペーストは、凹部１１に適合する形状である。次のステップにおいて、絶縁フィルム２上に金属層３を形成する。金属層３は、第１凹部に対応する第１領域３１と、（図５に示す）第２領域３２と、を備える。第１領域は、本発明の一実施形態において、２つのプレス部分を備える。他の実施形態においては、第１領域が他の数のプレス部分を備えてもよい。金属層３を形成するために、従来のメタライゼーションプロセスを使用することができる。

プレス部分は、真空中１８０℃で３時間プレスされ、第１領域３１の金属の変形によって、金属層の上面の上に少なくとも２つの第２凹部３１１を形成し、それによって、金属層の他方の表面を第１凹部１１に適合する形状にすることができる。１００℃から２００℃までの他の温度も可能である。プレスは２〜３時間持続することができた。パワーモジュールには平坦な表面が必要であるため、金属層の上面は、第２凹部を除去するために研磨される。図６を参照すると、第１領域３１を覆い、第２領域３２を露出させるために、金属層上にマスク４が形成されている。次に、金属層がエッチングされて、第２領域３２を除去する。その後、マスクが除去される。したがって、金属パターン層３が、ひいては本発明の基板構造が形成される。

図７は、本発明の代替的な実施形態を示す。第２凹部３１１は、研磨される代わりに、導電性ペースト３３で充填されている。Ａｇペーストのような熱伝導率の高い金属ペーストを用いることができた。この場合、第２凹部のみにＡｇペーストが充填されているため、Ａｇペーストのドーズ量が比較的少ない。したがって、この構造において、製造コストと熱効果のバランスがとれている。図８を参照すると、次いで、続くエッチングプロセスにおいて第１領域を保護するために、マスク４が形成されている。第２領域３２が除去された後、金属パターン層が形成される。

絶縁フィルム２と金属ベース１との間の接触面積をさらに増加し、金属ベース１の厚さを低減するために、図９に示す好適な実施形態において、複数の連続するディンプル１２を備える凹部が使用される。連続するディンプルは、複数のプレス部分を複数のプレスヘッドでプレスすることにより形成されている。

本発明の代替的な実施形態において、本発明の基板構造は、（凸部３０１１を有する）金属層３０１を、絶縁フィルム２０１を間に挟んで、予め成形された金属ベース１０１に押し付けることによって、形成することができる。図１０を参照すると、金属ベース１０１は、予め成形された凹部１０１１を備える。そして、絶縁フィルム２０１は金属ベース１０１上に形成されている。絶縁フィルム２０１は、凹部１０１１に適合する形状である。（絶縁フィルムの変形部は、符号２０１１として記されている。）そして、凸部３０１１が変形部２０１１と位置合わせされ、金属層３０１が絶縁フィルムに（上述のプレス条件下で）プレスされる。同様のエッチングプロセスの後、基板構造が形成される。

凹部の形状、位置、および数は、プレス部分の数および位置、ならびに、圧力、温度、持続時間およびプレスヘッドの形状などのプレスパラメータに依存する。当業者は、上記の複数の条件の、適切な組み合わせを選択することができる。

好適な実施形態について、いくつかの代替的な構造要素および処理ステップが提案されている。したがって、特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、この説明は本発明を例示するものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、多様な変更および適用を想起する可能性がある。

Claims (18)

1. パワーモジュールにおける基板構造であって、
   その表面上に少なくとも１つの凹部を備える金属ベースと、
   前記凹部上に形成された金属パターン層と、
   前記金属ベースと前記金属パターン層との間に介在する絶縁フィルムと、を備え、
   前記絶縁フィルムが前記凹部に適合する形状である、基板構造。
2. 前記凹部の幅は、前記金属パターン層上に設けられたパワーチップの幅に近い、請求項１に記載の基板構造。
3. 前記凹部の断面は扇形、三角形または台形である、請求項１に記載の基板構造。
4. 前記凹部は、複数の連続するディンプルから構成されている、請求項１に記載の基板構造。
5. 前記金属ベースは銅またはアルミニウムであり、および／または、前記金属パターン層は銅またはアルミニウムである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の基板構造。
6. 前記絶縁フィルムは、シリコン樹脂、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、または酸化シリコンのうちの１つから作製されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の基板構造。
7. パワーモジュールにおける基板構造の製造方法であって、
   金属ベースを供給するステップと、前記金属ベースの表面上に少なくとも１つの第１凹部を予め成形するステップと、
   前記金属ベースの表面上に絶縁フィルムを形成するステップであって、前記絶縁フィルムは前記第１凹部に適合する形状であるステップと、
   前記絶縁フィルム上に金属層を形成するステップであって、前記金属層は、前記第１凹部に対応する第１領域と、第２領域と、を備え、前記第１領域は少なくとも１つのプレス部分を備えるステップと、
   前記プレス部をプレスするステップであって、前記金属層の上面の上に少なくとも１つの第２凹部を形成し、それによって、前記金属層の他方の表面を前記第１凹部に適合する形状にするステップと、
   前記金属層を平坦化するステップと、
   前記金属層をエッチングして前記第２領域を除去するステップと、を含む、方法。
8. 前記金属層を研磨によって平坦化する、請求項７に記載の方法。
9. 前記金属層を、前記第２凹部を導電性ペーストで充填することによって平坦化する、請求項７に記載の方法。
10. 前記プレスするステップは、真空中で進行する、請求項７に記載の方法。
11. 前記プレスするステップは、１００℃〜２００℃で進行し、２〜３時間持続する、請求項７に記載の方法。
12. 前記第１凹部の幅は、前記金属層上に設けられたパワーチップの幅に近い、請求項７に記載の方法。
13. 前記第１領域は複数のプレス部分を備え、前記プレス部分をプレスすることによって、複数の連続するディンプルを形成する、請求項７に記載の方法。
14. パワーモジュールにおける基板構造の製造方法であって、
    金属ベースを供給するステップと、前記金属ベースの表面上に少なくとも１つの凹部を予め成形するステップと、
    前記金属ベースの表面上に絶縁フィルムを形成するステップであって、前記絶縁フィルムは前記凹部に適合する形状であるステップと、
    前記絶縁フィルム上に金属層を形成するステップであって、前記金属層は第１領域および第２領域を備え、前記第１領域は前記凹部に対応する凸部を備え、前記凸部を前記凹部と位置合わせするステップと、
    前記金属層を前記絶縁フィルムにプレスするステップと、
    前記金属層をエッチングして前記第２領域を除去するステップと、を含む方法。
15. 前記プレスするステップは、真空中で進行する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記プレスするステップは、１００℃〜２００℃で進行し、２〜３時間持続する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記凹部の幅は、前記金属層上に設けられたパワーチップの幅に近い、請求項１４に記載の方法。
18. 前記凹部は、複数の連続するディンプルを備える、請求項１４に記載の方法。