JP5596748B2 - 両面冷却パワー半導体パッケージ - Google Patents

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Description

本発明は、概して半導体の分野に属する。より詳しくは、本発明は半導体のパッケージングの分野に属する。
パワーデバイスを有するパワーモジュールは高電圧および大電流の用途に用いることができる。例えば、パワーモジュールはパワーデバイスがパワースイッチであるモータ駆動用インバータモジュールであってもよい。パワーデバイスが適正に動作するためには、その温度を適切な温度範囲に保たなければならない。しかし、パワーデバイスは通常大量の熱を発生させるため、パワーデバイスから十分に熱が放散されなければ、その温度が適切な温度範囲を超えて上昇してしまう場合がある。そのため、パワーモジュールおよびパワーモジュールを含みうるパッケージは、パワーデバイスを効果的に冷却するよう構成する必要がある。
パワーデバイスを冷却する手法として、パワーデバイスに熱的に結合されたヒートシンクを用いてパワーデバイスからの放熱を補助することが挙げられる。例として、各パワーデバイスをパワーモジュール内に１つ以上のダイとして内蔵することができる。パワーモジュールは通常、パワーモジュールの基板上の導電配線にダイを接続するボンドワイヤを含む。ヒートシンクは基板に装着させることができ、基板を介してパワーデバイスに熱的に結合させることができる。しかしながら、この手法を用いてもヒートシンクによりパワーデバイスから十分に熱を放散させることは困難である。さらに、パワーデバイスを十分に冷却するためにヒートシンクが大型かつ高価になりがちであり、このためパワーモジュールのパッケージの製造コストが高くなり、設計の自由度が低くなってしまう。
このため当該技術においては、その技術の欠点および欠陥を克服し、パワーデバイスを備えるパワーモジュールを十分に冷却することが求められている。
本発明は、添付した図面のうち少なくとも一図に実質的に示され、または図に関連して説明され、特許請求の範囲において、両面冷却の半導体パッケージがより完全に規定される。
本発明の一実施形態によるパワーモジュールの斜視図である。 本発明の一実施形態による、両面ヒートシンクを備えるパワー半導体パッケージの斜視図である。 本発明の一実施形態による、両面ヒートシンクおよび固定用クランプを備えるパワー半導体パッケージの斜視図である。 本発明の一実施形態による、両面ヒートシンクおよび固定用クランプを備えるパワー半導体パッケージの斜視図である。 本発明の一実施形態による、両面ヒートシンクおよび固定用クランプを備えるパワー半導体パッケージの斜視図である。 本発明の一実施形態による、両面ヒートシンクおよび固定用クランプを備えるパワー半導体パッケージの斜視図である。 本発明の一実施形態による、両面ヒートシンクおよび水冷素子を備えるパワー半導体パッケージの斜視図である。 本発明の一実施形態による、両面ヒートシンクを備えるパワー半導体パッケージの断面図である。
本発明は両面冷却のパワー半導体パッケージを得ることを目的とする。以下の説明は、本発明の実施に関する詳細な情報を含む。当業者は、本出願において特に説明するものとは異なる態様で本発明を実施してもよいことを認識するだろう。また、本発明が不明瞭にならないよう、本発明の詳細についての説明は一部省略することとする。本出願において説明されない詳細は、当業者の知識の範囲内にある。
本出願の図面およびこれに付随する詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を示すためのものにすぎない。簡潔に保つため、本発明の原理を用いる本発明の他の実施形態は、本出願においては特に記載せず、図面にも特に示さない。
図１は、本発明の一実施形態によるパワーモジュール１００（本明細書において「三相インバータモジュール」または「モータ駆動用インバータモジュール」等とも呼ぶ）の斜視図を示す。この実施形態において、パワーモジュール１００は多相インバータモジュールであり、より具体的には三相インバータモジュールである。
パワーモジュール１００は、高電位側デバイス１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ（本明細書において「パワーデバイス１０２」、「複数のパワーデバイス１０２」、または「高電位側デバイス１０２」とも呼ぶ）および低電位側デバイス１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ（本明細書において「パワーデバイス１０２」、「複数のパワーデバイス１０２」、または「低電位側デバイス１０２」とも呼ぶ）、高電位側導電性クリップ１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ（本明細書において「導電性クリップ１０４」または「高電位側導電性クリップ１０４」とも呼ぶ）および低電位側導電性クリップ１０４ｄ、１０４ｅ、１０４ｆ（本明細書において「導電性クリップ１０４」または「低電位側導電性クリップ１０４」とも呼ぶ）、高電位側ゲートパッドＧＨ１、ＧＨ２、ＧＨ３（本明細書において「ゲートパッドＧ」または「高電位側ゲートパッドＧ」とも呼ぶ）および低電位側ゲートパッドＧＬ１、ＧＬ２、ＧＬ３（本明細書において「ゲートパッドＧ」または「低電位側ゲートパッドＧ」とも呼ぶ）、高電位側電源パッドＶＨ１、ＶＨ２、ＶＨ３、ＶＨ４（本明細書において「電源パッドＶ」または「高電位側電源パッドＶ」とも呼ぶ）および低電位側電源パッドＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ３、ａｎｄＶＬ４（本明細書において「電源パッドＶ」または「低電位側電源パッドＶ」とも呼ぶ）、ならびに出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、Ｗｏｕｔを備える。
図１は、基板１０６上のパワーデバイス１０２を示す。基板１０６は、例えばセラミック、または他の基板材料からなる。電源パッドＶ、ゲートパッドＧ、ならびに共通出力パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔは、それぞれ銅などの導電性材料からなる。この実施形態において、電源パッドＶ、ゲートパッドＧ、ならびに共通出力パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔは、直接接合銅（ＤＢＣ）基板であってもよい基板１０６のＤＢＣからなる。
上記のように、この実施形態において、パワーモジュール１００は三相インバータモジュールであり、これは例えばモータ（図１に図示せず）の制御に使用することができる。パワーモジュール１００のＵ相はパワーデバイス１０２ａおよび１０２ｄを含み、これらは出力端子Ｕｏｕｔがパワーデバイス１０２ａと１０２ｄの間に接続された状態でハーフブリッジ接続されている。同様に、パワーモジュール１００のＶ相はパワーデバイス１０２ｂおよび１０２ｅを含み、これらは出力端子Ｖｏｕｔがパワーデバイス１０２ｂと１０２ｅの間に接続された状態でハーフブリッジ接続される。また、パワーモジュール１００のＷ相はパワーデバイス１０２ｃおよび１０２ｆを含み、これらは出力端子Ｗｏｕｔがパワーデバイス１０２ｃと１０２ｆの間に接続された状態でハーフブリッジ接続される。こうして、出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔはパワーモジュール１００の相出力部として機能することができる。なお、この実施形態において、出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔは連続する個別のパッドである。
この実施形態において、パワーデバイス１０２はパワーモジュール１００のパワースイッチである。各パワーデバイス１０２は、各絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に並列に接続する環流ダイオード（図１には示さない）をそれぞれ備える。ある実施形態においては、パワーデバイス１０２が環流ダイオードを含まなくてもよく、あるいは環流ダイオード以外の電気的要素を含んでもよい。実施形態により、各パワーデバイス１０２はＩＧＢＴに並列の環流ダイオードに代えて金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備えてもよい。また、この実施形態においてパワーデバイス１０２はパワースイッチであるが、他の実施形態においては、パワーデバイス１０２は他種のパワーデバイスである。
図１は複数のパワーデバイス１０２を示し、これらは対応する複数のパワーデバイス上面を有する。この実施形態において、対応する複数のパワーデバイス上面のそれぞれは、１つの導電性クリップ１０４（図１に示す）の上面を含み、電流が流れるよう構成される。導電性クリップ１０４は、銅などの金属、金属合金、または他の導電性材料からなり、ゲートパッドＧ、電源パッドＶ、ならびに出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔのそれぞれの上方に設けられる。導電性クリップ１０４は上面(図１に示す)および上面に連結された対向脚部(図１には示さず)を含む。一方の対向脚部は、上面が電源パッドＶの１つに電気的に接続され、他方の対向脚部は、上面が他の電源パッドＶに電気的に接続される。例えば、導電性クリップ１０４ａの対向脚部はそれぞれ、導電性クリップ１０４ａが図１の高電位側電源パッドＶＨ１およびＶＨ２を覆う領域において電源パッドＶＨ１およびＶＨ２に電気的に接続される。いくつかの実施形態において、キャッピング層（図１には図示せず）をパワーデバイス１０２の導電性クリップ１０４の少なくとも１つの上方に設けることができる。キャッピング層は基板１０６に類似する基板材料を含んでもよい。
なお、この実施形態の導電性クリップ１０４は、出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔならびにゲートパッドＧには電気的に接続されていない。むしろ、例えば高電位側導電性クリップ１０４および高電位側電源パッドＶは高電位側電源パッドＶＨ１とＶＨ４の間に電流経路を形成し、これにより高電位側導電性クリップ１０４を介して電流が出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔならびに高電位側ゲートパッドＧの上方を流れることができる。こうして、電源パッドＶＨ１とＶＨ４の間に高電位側電源バスが形成され、正の、負の、または接地の電圧のいずれかがパワーモジュール１００への入力として電源パッドＶＨ１およびＶＨ４に伝えられる。同様に、低電位側導電性クリップ１０４および低電位側電源パッドＶは低電位側電源パッドＶＬ１とＶＬ４の間に電流経路を形成し、これにより低電位側導電性クリップ１０４を介して電流が出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔならびに低電位側ゲートパッドＧの上方を流れることができる。こうして、電源パッドＶＬ１とＶＬ４の間に低電位側電源バスが形成され、正の、負の、または接地の電圧のいずれかがパワーモジュール１００への入力部として電源パッドＶＬ１およびＶＬ４に接続される。
パワーモジュール１００において、ゲートパッドＧは制御入力部であり、各パワーデバイス１０２を選択的にイネーブル（ｅｎａｂｌｅ）およびディセーブル（ｄｉｓａｂｌｅ）するのに用いることができる。より詳しくは、ゲートパッドＧＨ１、ＧＨ２、ＧＨ３、ＧＬ１、ＧＬ２、およびＧＬ３は高電位側デバイス１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃならびに低電位側デバイス１０２ｄ、１０２ｅ、および１０２ｆをそれぞれ選択的にイネーブルおよびディセーブルするのに用いることができる。この実施形態において、各ゲートパッドＧは対応する導電性クリップ１０４の下で１つのパワーデバイス１０２の、対応するＩＧＢＴのゲートに電気的に接続し、これにより対応するＩＧＢＴを選択的にイネーブルまたはディセーブルする。
従って、上述したとおり、パワーモジュール１００は、電源パッドＶおよびゲートパッドＧを入力部として、また出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔを出力部として備える。このように、パワーモジュール１００は電源パッドＶ、ゲートパッドＧ、ならびに出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔのいずれかに接続するコンタクトを備えることができ、これによりパワーモジュール１００を外部回路（図１に図示せず）に接続することができる。図１はこの実施形態の圧嵌クランプであるコンタクト１０８ａ、１０８ｂ、および１０８ｃ（本明細書において「コンタクト１０８」とも呼ぶ）を示す。コンタクト１０８はパワーモジュール１００を外部回路に接続するためのコンタクトを設ける例示的な手法を示している。本発明の様々な実施形態につき、他の多くの手法を採用可能であることは理解されるだろう。
コンタクト１０８は、プロング（ピン）（図１には示さない）により基板１０６の下面１１６に係合する。いくつかの実施形態では、基板１０６の下面１１６は誘電材料からなってもよく、他の実施形態では、下面１１６は導電性材料からなってもよい。コンタクト１０８はさらに各出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔの上面に２つのプロング（ピン）で係合し、これによりパワーモジュール１００から出力電流を供給することができる。例えば、コンタクト１０８ａは出力電流パッドＵｏｕｔの上面１１４に係合し、コンタクト１０８ａで受けた大電流である出力電流１１２をパワーモジュール１００から供給することができる。図１はコンタクト１０８を示し、ゲートパッドＧ、電源パッドＶ、ならびに出力電流パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔのいずれの組合せもコンタクト１０８と同様の、または相違する１つ以上のコンタクトからなりうる。
このように、この実施形態において、パワーモジュール１００は三相インバータを構成し、三相インバータモジュール１００のパワースイッチを構成するパワーデバイス１０２を備える。三相インバータモジュール１００は高電圧および大電流の用途に用いることができる。例えば一実施形態において、三相インバータモジュール１００はハイブリッド車両のモータを駆動することができる。パワーデバイス１０２が適正に動作するためには、その温度を適切な温度範囲に保たなければならない。しかし、パワーデバイス１０２は大量の熱を発生させるため、そこから十分に熱が放散されなければ、その温度が適切な温度範囲を超えて上昇してしまう場合がある。
パワーデバイス１０２を冷却する手法として、基板１０６の下面１１６のみを介してパワーデバイス１０２に熱的に結合されたヒートシンクを用いてパワーデバイス１０２からの放熱を補助することが挙げられる。しかしながら、この手法を用いてもヒートシンクによりパワーデバイス１０２から十分に熱を放散させることは困難である。さらに、パワーデバイス１０２を十分に冷却するためにはヒートシンクが大型かつ高価になり、このためパワーモジュール１００のパッケージの製造コストが高くなり、設計の自由度が低くなってしまう。
様々な実施形態において、本発明はパワーデバイス１０２を効果的に冷却し、さらに前述の問題を克服することを可能とした両面ヒートシンクを備えるパワー半導体パッケージを提供する。ある実施形態において、ヒートシンクは水冷素子を含み、他の実施形態においては、ヒートシンクは気流冷却に依存しうる。本発明の実施形態はパワー半導体パッケージの設計に高い自由度をもたらす。このため、パワーモジュール１００の設計は特定用途の要求に基づいてヒートシンクを改良しつつある程度規格化することができ、これにより設計および製造のコストを低減することができる。
図２を参照すると、図２は本発明の一実施形態による、両面ヒートシンク２２０（本明細書において「ヒートシンク２２０」とも呼ぶ）を備えるパワー半導体パッケージ２００の斜視図を示す。図２はまた、図１のパワーモジュール１００に対応するパワーモジュール２２２ならびに図１のコンタクト１０８に対応するコンタクト２０８ａ、２０８ｂ、および２０８ｃ（「コンタクト２０８」とも呼ぶ）を示す。
ヒートシンク２２０は上部２２４、下部２２６、ならびに接続部２１８ａおよび２１８ｂを有する。上部２２４はパワーモジュール２２２の上方に位置し、下部２２６はパワーモジュール２２２の下に位置する。接続部２１８ａおよび２１８ｂはヒートシンク２２０の上部２２４と下部２２６を連結している。このように、この実施形態において、ヒートシンク２２０はパワーモジュール２２２を内包し、包囲する。ヒートシンク２２０は金属、金属合金、金属酸化物、金属窒化物、セラミック、有機材料、およびこれらの組合せの適切なヒートシンク材料からなってもよい。
両面ヒートシンク２２０は、パワーモジュール２２２の複数のパワーデバイス上面２２８に接触する上部２２４を有し、複数のパワーデバイス上面２２８は、図１に関して上述したパワーデバイス１０２の複数のパワーデバイス上面に対応する。両面ヒートシンク２２０はまたパワーモジュール２２２の下面２１６に接触する下部２２６を有し、パワーモジュール２２２の下面２１６は、図１の基板１０６の下面１１６に対応しうる。ヒートシンク２２０の上部２２４は複数のパワーデバイス上面２２８に熱的に結合されている。また、この実施形態において、下部２２６は下面２１６に熱的に結合されている。そのため、ヒートシンク２２０は複数のパワーデバイス上面２２８および下面２１６の両方を介してパワーモジュール２２２から熱を放散させることができ有利である。さらに、ヒートシンク２２０がパワーモジュール２２２を内包し、包囲することによりパワー半導体パッケージ２００の占有面積を低減させることができる。このため、ヒートシンク２２０はパワーモジュール２２２のパワーデバイスを効果的に冷却することを可能とし、他のヒートシンクよりも小型で安価とすることができる。さらに、ヒートシンク２２０の特定の設計は自由度が高くなる。例えば、様々な実施形態において、ヒートシンク２２０は両面ヒートシンク２２０の上部２２４および下部２２６をパワーモジュール２２２に押し付ける固定用クランプ、水冷素子、およびヒートシンクフィンのいずれかの組合せからなりうる。
この実施形態において、パワー半導体パッケージ２００は複数のパワーデバイス上面２２８と上部２２４の間および下面２１６と下部２２６の間に熱結合材料２３０を含む。熱結合材料２３０は、複数のパワーデバイス上面２２８と上部２２４および下面２１６と下部２２６を熱的に結合している。熱結合材料２３０は、例えば１つ以上の熱伝導性のパッドおよび／または熱ペーストからなってもよい。いくつかの実施形態においては、熱結合材料２３０を用いずにヒートシンク２２０の上部２２４を複数のパワーデバイス上面２２８に熱的に結合させ、ヒートシンク２２０の下部２２６は下面２１６に熱的に結合させてもよい。
また、この実施形態において、コンタクト２０８は両面ヒートシンク２２０の下部２２６から外部に延びる。コンタクト２０８は両面ヒートシンク２２０から外部に延び、１つ以上の外部回路（図２に示さない）によりパワーモジュール２２２に電気的接触をもたらす。パワーモジュール２２２と１つ以上の外部回路に電気的接触をもたらすために、コンタクト２０８に代えて、またはこれに加えて多くの手段を用いることができることを理解されたい。
実施形態によっては、ヒートシンク２２０はパワーモジュール２２２にクランプ力をかける。より詳しくは、上部２２４および下部２２６はパワーモジュール２２２の複数のパワーデバイス上面２２８にクランプ力をかけることが望ましい。上述のように、いくつかの実施形態において、パワー半導体パッケージ２００は両面ヒートシンク２２０の上部２２４および下部２２６をパワーモジュール２２２に押し付けてクランプ力をかける少なくとも１つの固定用クランプを備える。実施形態によっては、少なくとも１つの固定用クランプは少なくとも１つのヒートシンクねじであってもよい。
次に図３Ａおよび３Ｂについては、図３Ａおよび３Ｂは本発明の一実施形態による、両面ヒートシンク３２０および固定用クランプ３３０を備えるパワー半導体パッケージ３００の斜視図を示す。図３Ａおよび３Ｂにおいて、パワー半導体パッケージ３００は図２のパワー半導体パッケージ２００に対応する。パワー半導体パッケージ３００は図２のヒートシンク２２０に対応するヒートシンク３２０を備える。例えば、ヒートシンク３２０は図２の上部２２４および下部２２６にそれぞれ対応する上部３２４および下部３２６を備える。パワーモジュール３２２は図２のパワーモジュール２２２に対応する。例えば、パワーモジュール３２２は図２の複数のパワーデバイス上面２２８および下面２１６にそれぞれ対応する複数のパワーデバイス上面３２８および下面３１６を含む。パワー半導体パッケージ３００は、コンタクト２０８および熱結合材料２３０などの、特に図３に示されず、図に関して説明もされないパワー半導体パッケージ２００の要素に対応する他の要素をさらに含みうる。なお、図３Ａおよび３Ｂは例示的なものであり、固定用クランプ３３０の、上部３２４および下部３２６内の部分は明確にするために図３Ａおよび３Ｂに示されている。
固定用クランプ３３０は両面ヒートシンク３２０の上部３２４および下部３２６をパワーモジュール３２２、より具体的にはパワーモジュール３２２の複数のパワーデバイス上面３２８および下面３１６に押し付けるよう構成する。この実施形態において、固定用クランプ３３０は両面ヒートシンク３２０の上部３２４および下部３２６をパワーモジュール３２２に押し付けるよう構成されたヒートシンクねじを備える。他の実施形態において、固定用クランプ３３０はヒートシンクねじ以外の要素であってもよい。固定用クランプ３３０は上部３２４を通って延び、下部３２６内に収まる。図３Ａは、両面ヒートシンク３２０の上部３２４および下部３２６をパワーモジュール３２２に押し付ける前の固定用クランプ３３０を示す。図３Ｂは固定用クランプ３３０を示し、両面ヒートシンク３２０の上部３２４および下部３２６をパワーモジュール３２２に押し付けているが、これは固定用クランプ３３０をヒートシンク３２０に固定することにより達成される。
このように、上述したとおり、パワー半導体パッケージ３００は両面ヒートシンク３２０の上部３２４および下部３２６をパワーモジュール３２２に押し付けるよう構成した固定用クランプ３３０を備える。こうして、ヒートシンク３２０はパワーモジュール３２２にさらなる機械的安定性および耐久性をもたらすことができ、例えばパワーモジュール３２２の、温度サイクルに耐える能力を高めることができる。いくつかの実施形態において、上部３２４は下部３２６から分離していてもよい。さらに、分離した上部３２４および下部３２６は固定用クランプ３３０のような少なくとも１つの固定用クランプによって互いに固定することができる。
図４Ａおよび４Ｂを参照すると、図４Ａおよび４Ｂは本発明の一実施形態による、両面ヒートシンク４２０ならびに固定用クランプ４３０および４３２を備えるパワー半導体パッケージ４００の斜視図を示す。図４Ａおよび４Ｂにおいて、パワー半導体パッケージ４００は図３Ａおよび３Ｂのパワー半導体パッケージ３００に対応する。パワー半導体パッケージ４００は図３Ａおよび３Ｂのヒートシンク３２０に対応するヒートシンク４２０を備える。例えば、ヒートシンク４２０は図３Ａおよび３Ｂの上部３２４および下部３２６にそれぞれ対応する上部４２４および下部４２６を備える。パワーモジュール４２２は図３Ａおよび３Ｂのパワーモジュール３２２に対応する。例えば、パワーモジュール４２２は図３Ａおよび３Ｂの複数のパワーデバイス上面３２８および下面３１６にそれぞれ対応する複数のパワーデバイス上面４２８および下面４１６を含む。なお、図４Ａおよび４Ｂは例示的なものであり、固定用クランプ４３０および４３２の、上部４２４および下部４２６内の部分は明確にするために図４Ａおよび４Ｂに示されている。
固定用クランプ４３０および４３２は両面ヒートシンク４２０の上部４２４および下部４２６をパワーモジュール４２２、より具体的にはパワーモジュール４２２の複数のパワーデバイス上面４２８および下面４１６に押し付けるよう構成する。この実施形態において、固定用クランプ４３０および４３２は両面ヒートシンク４２０の上部４２４および下部４２６をパワーモジュール４２２に押し付けるよう構成されたヒートシンクねじを備える。他の実施形態において、固定用クランプ４３０および４３２はヒートシンクねじ以外の要素であってもよい。固定用クランプ４３０および４３２は上部４２４を通って延び、下部４２６内に収まる。図４Ａは、両面ヒートシンク４２０の上部４２４および下部４２６をパワーモジュール４２２に押し付ける前の固定用クランプ４３０および４３２を示す。図４Ｂは固定用クランプ４３０および４３２を示し、両面ヒートシンク４２０の上部４２４および下部４２６をパワーモジュール４２２に押し付けているが、これは固定用クランプ４３０および４３２をヒートシンク４２０に固定することにより達成される。
また、図４Ａおよび４Ｂに示すように、上部４２４は下部４２６から分離している。ヒートシンク４２０の上部４２４および下部４２６は固定用クランプ４３０および４３２のような少なくとも１つの固定用クランプによって互いに固定することができる。図４Ａは、固定用クランプ４３０および４３２により互いに固定される前のヒートシンク４２０の上部４２４および下部４２６を示す。図４Ｂは、固定用クランプ４３０および４３２により互いに固定されているヒートシンク４２０の上部４２４および下部４２６を示す。図４Ａおよび４Ｂに示す実施形態によりパワー半導体パッケージ４００の設計および組み立てにさらなる自由度をもたらす。本発明の実施形態によるパワー半導体パッケージは、パワー半導体パッケージの冷却能力の獲得を補助すべく、上述した要素に加えて少なくとも１つの水冷素子を含みうる。
図５を参照すると、図５は本発明の一実施形態による、両面ヒートシンク５２０および水冷素子５３６を備えるパワー半導体パッケージ５００の斜視図を示す。図５において、パワー半導体パッケージ５００は図２のパワー半導体パッケージ２００に対応する。パワー半導体パッケージ５００は図２のヒートシンク２２０に対応するヒートシンク５２０を備える。例えば、ヒートシンク５２０は図２の上部２２４および下部２２６にそれぞれ対応する上部５２４および下部５２６を備える。パワーモジュール５２２は図２のパワーモジュール２２２に対応する。例えば、パワーモジュール５２２は図２の複数のパワーデバイス上面２２８および下面２１６にそれぞれ対応するパワーデバイス上面５２８および下面５１６を含む。パワー半導体パッケージ５００は、コンタクト２０８および熱結合材料２３０などの、特に図５に示されず、図に関して説明もされないパワー半導体パッケージ２００の要素に対応する他の要素をさらに含みうる。
水冷素子５３６は、水を用いてパワーモジュール５２２、より詳しくはパワーモジュール５２２のパワーデバイスから熱を放散させることによりパワー半導体パッケージ５００の冷却能力の向上を補助することができる。例えば、様々な実施形態において、水は両面ヒートシンク５２０の任意の部分を循環してパワーモジュール５２２から熱を放散させることができる。この実施形態において、両面ヒートシンク５２０は両面ヒートシンク５２０の上部５２４および下部５２６を結合する水冷素子５３６を含む。水冷素子５３６はヒートシンク５２０の側部５３８上に示されるが、水冷素子５３６は側部５４０のような側部５３８上に加え、あるいはこれに代えて他の場所に配置してもよい。水冷素子５３６はまたパワーモジュール５２２の上方または下方に配置してもよい。水冷素子５３６はパワーモジュール５２２の設計に大幅な変更を必要とせず、さらなるパワーモジュール５２２の冷却を要する用途においてパワーモジュール５２２の冷却能力を向上させることができ、有利である。図２、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、および５に関し説明してきた様々な要素は組み合わせることができ、上述の特定の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。例として、パワー半導体パッケージ５００は、図４Ａおよび４Ｂの固定用クランプ４３０および４３２に類似する固定用クランプを備えてもよい。
図６は本発明の一実施形態による、両面ヒートシンク６２０を備えるパワー半導体パッケージ６００の断面図を示す。より詳しくは、図６は、図２の断面６―６に対応する断面図を示す。図２において、断面６―６はヒートシンク２２０の上部２２４の点６-ａおよび６-ｂからパワー半導体パッケージ２００を通り、ヒートシンク２２０の下部２２６を介してパワー半導体パッケージ２００から抜ける。図６はパワー半導体パッケージ３００、４００、および５００のいずれかの同様の断面図に相当しうる。
図６において、パワー半導体パッケージ６００は図２のパワー半導体パッケージ２００に対応する。パワー半導体パッケージ６００は図２のヒートシンク２２０に対応するヒートシンク６２０を備える。例えば、ヒートシンク６２０は図２の上部２２４および下部２２６にそれぞれ対応する上部６２４および下部６２６を備える。パワーモジュール６２２は図２のパワーモジュール２２２に対応する。例えば、パワーモジュール６２２は図２の複数のパワーデバイスのうちの１つの上面２２８および下面２１６にそれぞれ対応するパワーデバイス上面６２８ａおよび下面６１６を有する。パワー半導体パッケージ６００は、コンタクト２０８および熱結合材料２３０などの、特に図６に示されず、図に関して説明もされないパワー半導体パッケージ２００に対応する他の要素をさらに含みうる。
また図６において、パワーモジュール６２２は図１のパワーモジュール１００に対応する。例えば図６は、図１の高電位側デバイス１０２ａ、高電位側導電性クリップ１０４ａ、高電位側電源パッドＶＨ１およびＶＨ２、高電位側ゲートパッドＧＨ１、ならびに出力電流パッドＵｏｕｔにそれぞれ対応する高電位側デバイス６０２ａ、高電位側導電性クリップ６０４ａ、高電位側電源パッドＶＨ１およびＶＨ２、高電位側ゲートパッドＧＨ１、ならびに出力電流パッドＵｏｕｔを示す。パワー半導体パッケージ６００はさらに、合わせて図１の基板１０６に対応する基板材料６０６ａおよび６０６ｂ（本明細書においては、まとめて基板６０６とも呼ぶ）を含む。この実施形態において、高電位側電源パッドＶＨ１およびＶＨ２、高電位側ゲートパッドＧＨ１、ならびに共通出力パッドＵｏｕｔは基板６０６の銅直接接合（ＤＢＣ）からなる。
高電位側パワーデバイス６０２ａはパワーモジュール６２２のＵ相の高電位側パワースイッチであり、この実施形態においては三相インバータモジュールである。高電位側パワーデバイス６０２ａはＩＧＢＴダイ６４４に並列に接続された環流ダイオードであるダイオードダイ６４６を含む。ＩＧＢＴダイ６４４のゲート６５６はＩＧＢＴダイ６４４の下面を介してゲートパッドＧＨ１に電気的に接続される。導電性クリップ６０４ａは、高電位側デバイス６０２ａのコレクタ６４８を高電位側デバイス６０２ａのカソード６５２に接続している。この実施形態において、導電性クリップ６０４ａはＩＧＢＴダイ６４４の上面を介してコレクタ６４８に電気的に接続され、ダイオードダイ６４６の上面を介してカソード６５２に電気的に接続される。共通出力パッドＵｏｕｔは高電位側デバイス６０２ａのエミッタ６５０と高電位側デバイス６０２ａのアノード６５４とを電気的に接続している。この実施形態において、共通出力パッドＵｏｕｔは、ＩＧＢＴダイ６４４の下面を介してエミッタ６５０に電気的に接続され、ダイオードダイ６４６の下面を介してアノード６５４に電気的に接続される。
こうして、上述のように、導電性クリップ６０４ａは高電位側デバイス６０２ａのコレクタ／カソードノードを接続し、共通出力パッドＵｏｕｔは高電位側デバイス６０２ａのエミッタ／アノードノードを接続している。パワー半導体パッケージ６００に実装される図１の高電位側デバイス１０２ｂおよび１０２ｃは、高電位側デバイス６０２ａと同様の構成をもつ。また、パワー半導体パッケージ６００に実装される図１の低電位側デバイス１０２ｄ、１０２ｅ、および１０２ｆは高電位側デバイス６０２ａと同様の構成をもつが、各低電位側導電性クリップ１０４は各低電位側デバイス１０２の対応するエミッタ／アノードノードを接続し、共通出力パッドＵｏｕｔ、Ｖｏｕｔ、およびＷｏｕｔは各低電位側デバイス１０２の対応するコレクタ／カソードノードをそれぞれ接続している。こうして、図６には示されないが、共通出力パッドＵｏｕｔは、高電位側素子６０２ａのエミッタ／アノードノードを図１における低電位側デバイス１０２ｄに対応しうる低電位側素子のコレクタ／カソードノードに結合する。
導電性クリップ６０４ａはパワーデバイス上面６２８ａに接続する対向脚部６４２ａおよび６４２ｂを備える。脚部６４２ａはパワーデバイス上面６２８ａを電源パッドＶＨ１に電気的に接続し、脚部６４２ｂはパワーデバイス上面６２８ａを電源パッドＶＨ２に電気的に接続している。こうして、電流経路６５８で示されるように、電流は導電性クリップ６０４ａを介して出力電流パッドＵｏｕｔおよびゲートパッドＧＨ１の上方を流れることができる。このため、上述したように、導電性クリップ６０４ａおよび特にパワーデバイス上面６２８ａが高電位側電源バスの一部となればよく、大量の熱に曝される可能性がある。
この実施形態において、基板６０６は基板材料６０６ｂ上の基板材料６０６ａを含む。基板材料６０６ａは誘電材料からなり、基板材料６０６ｂは導電性材料からなる。したがって、パワーモジュール６２２下面６１６は導電性材料を含む。実施形態によっては、パワーモジュール６２２の下面６１６は誘電材料を含む。例えば、基板材料６０６ａは下面６１６上の誘電材料であってもよい。基板６０６はＤＢＣからなってもよい。例えば、基板材料６０６ａはセラミックであってもよく、基板材料６０６ｂは基板材料６０６ａに接合した銅であってもよい。さらに、高電位側電源パッドＶＨ１およびＶＨ２、高電位側ゲートパッドＧＨ１、ならびに共通出力パッドＵｏｕｔは基板材料６０６ａに接合する銅であってもよい。
パワー半導体パッケージ６００は、パワーデバイス６０２ａの上方にキャッピング材料６４０ａおよび６４０ｂ（本明細書においてはまとめてキャッピング層６４０とも呼ぶ）をさらに備える。図１には示さないが、図１のパワーデバイス１０２の各それぞれの上方にキャッピング層６４０と同様の各キャッピング層を任意で設けることができる。他の実施形態において、キャッピング層６４０と同様の単独のキャッピング層が２つ以上のパワーデバイス１０２の上方に任意で延在させてもよい。また、実施形態によっては、キャッピング層６４０と同様の要素を含まなくてもよい。
図６に示すように、キャッピング層６４０は高電位側デバイス６０２ａの上方に位置する。キャッピング層６４０は任意の適切な基板材料からなればよい。この実施形態において、キャッピング材料６４０ａは誘電材料からなり、キャッピング材料６４０ｂは導電性材料からなる。したがって、パワーモジュール６２２の上面６６０は導電性材料を含む。実施形態によっては、パワーモジュール６２２の上面６６０は誘電材料を含む。例えば、キャッピング層６４０は上面６６０上のキャッピング材料６４０ａを含んでもよい。他の実施形態において、パワーモジュール６２２はキャッピング層６４０を備えなくてもよい。例えば、高電位側導電性クリップ６０４ａはパワーモジュール６２２の上面６６０上に設けてもよい。キャッピング層６４０はＤＢＣからなってもよい。例えば、キャッピング材料６４０ａはセラミックであってもよく、キャッピング材料６４０ｂはキャッピング材料６４０ａに接合する銅であってもよい。さらに、実施形態によっては、高電位側導電性クリップ６０４ａは、キャッピング材料６４０ａに接合する銅からなってもよい。
こうして、上述したとおり、パワーモジュール６２２は、基板６０６および高電位側デバイス６０２ａに接触するキャッピング層６４０からなる。さらに、キャッピング層６４０は両面ヒートシンク６２０の上部６２４に接触し、基板６０６は両面ヒートシンク６２０の下部６２６に接触している。高電位側デバイス６０２ａは基板６０６を介してヒートシンク６２０の下部６２６に熱的に結合させることができ、高電位側デバイス６０２ａはキャッピング層６４０を介してヒートシンク６２０の上部６２４に熱的に結合させることができる。こうして、ヒートシンク６２０はパワーデバイス上面６２８ａおよびパワーデバイス下面６６２の両方から熱を放散させることができる。さらに、パワーデバイス上面６２８ａおよびパワーデバイス下面６６２の両方に電流が流れるため、高電位側デバイス６０２ａから熱が効率的に放散される。そのため、ヒートシンク６２０の寸法はパワーモジュール６２２に大きく左右されることがなく、高電位側デバイス６０２ａを十分に冷却しつつ、必要に応じて両面ヒートシンク６２０を小型化することができる。
こうして、上述のとおり、図１〜６の実施形態において、本発明は対応する複数のパワーデバイス上面をもつ複数のパワーデバイスを有するパワーモジュールを備えるパワー半導体パッケージを提供する。上部が複数のパワーデバイス上面に接触する両面ヒートシンクを備えることにより、本発明の様々な実施形態はパワー半導体パッケージの設計に特定用途の要求を適える高い自由度をもたらしつつ、十分にパワーデバイスを冷却することを可能とする。例えば、ヒートシンクを従来のヒートシンクより小型で安価とすることができる。こうして、パワー半導体パッケージの設計および製造のコストを大幅に低減することができる。
本発明の上記の説明から、さまざまな手法を用いて、本発明の範囲を逸脱することなく本発明の概念を実施することができることは明らかである。また、特定の実施形態を特に取り上げて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく形態および細部を変更することができることを理解するであろう。すなわち、上記の実施形態は、あらゆる点において例示的なものに過ぎず、限定的なものではないと考えるべきである。また、本発明は、本明細書において記載した特定の実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの再構成、変更、および代替が可能であることも理解されるべきである。

Claims (20)

  1. パワー半導体パッケージであって、
    複数のパワーデバイスを備えるパワーモジュールであって、前記複数のパワーデバイスが、対応する複数のパワーデバイス上面を有するパワーモジュールと、
    上部が前記複数のパワーデバイス上面に接触し、下部が前記パワーモジュールの下面に接触する両面ヒートシンクとを備え、
    前記複数のパワーデバイス上面の少なくとも１つが、前記複数のパワーデバイスの少なくとも２つのトランジスタに接続する電源バスの一部を形成することを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記両面ヒートシンクの前記上部および前記下部を前記パワーモジュールに押し付ける少なくとも１つの固定用クランプを備えることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  3. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記両面ヒートシンクの前記上部および前記下部を前記パワーモジュールに押し付ける少なくとも１つのヒートシンクねじを備えることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  4. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、少なくとも１つの固定用クランプによって前記両面ヒートシンクの前記上部および前記下部が互いに固定されるパワー半導体パッケージ。
  5. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、少なくとも１つのヒートシンクねじによって前記両面ヒートシンクの前記上部および前記下部が互いに固定されることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  6. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記両面ヒートシンクが前記パワーモジュールを包囲することを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  7. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記両面ヒートシンクが水冷素子を含むことを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  8. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記両面ヒートシンクが、前記両面ヒートシンクの前記上部と前記下部を結合させる水冷素子を含むことを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  9. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記対応する複数のパワーデバイス上面のそれぞれに電流が流れるよう構成されることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  10. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記対応する複数のパワーデバイス上面のそれぞれに電流が流れるよう構成された導電性クリップを備えることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  11. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記複数のパワーデバイス上面が銅からなることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  12. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記パワーモジュールの前記下面が前記パワーモジュールの基板の下面であることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  13. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記パワーモジュールの前記下面が導電性材料からなることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  14. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記複数のパワーデバイスが前記パワーモジュールの基板上に位置し、キャッピング層が前記複数のパワーデバイスの少なくとも１つの上方に位置し、前記キャッピング層が導電性材料上に形成された誘電材料を有することを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  15. 請求項１４に記載のパワー半導体パッケージであって、前記基板および前記キャッピング層がそれぞれ銅直接接合（ＤＢＣ）からなることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  16. 請求項１４に記載のパワー半導体パッケージであって、前記複数のパワーデバイスのうちの前記少なくとも１つが前記基板を介して前記両面ヒートシンクの前記下部に熱的に結合され、前記キャッピング層を介して前記両面ヒートシンクの前記上部に熱的に結合されることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  17. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記パワーモジュールに接続するよう前記両面ヒートシンクから外部に延びる複数のコンタクトを備えることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  18. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記複数のパワーデバイスのそれぞれがパワースイッチであることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  19. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記複数のパワーデバイスのそれぞれがダイオードに並列の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
  20. 請求項１に記載のパワー半導体パッケージであって、前記パワーモジュールがモータ駆動用インバータモジュールを備えることを特徴とするパワー半導体パッケージ。
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