JP7233621B1 - 熱性能が向上したパワーモジュールデバイス - Google Patents

Abstract

第１の主面（１０２）から第２の主面（１０４）へと順に、ベースプレート（１１０）と、ベースプレート（１１０）上の電気絶縁セラミック層（１２０）と、セラミック層（１２０）上の電気絶縁性の第１の絶縁層（１３０）であって、プリプレグ材料を備え、１００μｍ未満の層厚（ｄ４）を有する、第１の絶縁層（１３０）と、第１の絶縁層（１３０）上の導電性リードフレーム（１４０）であって、ベースプレート（１１０）から電気的に絶縁されている、導電性リードフレーム（１４０）と、リードフレーム（１４０）上のパワー半導体デバイス（１５０）と、リードフレーム（１４０）と第２の絶縁層（１６０）との間にパワー半導体デバイス（１５０）が埋め込まれるように、パワー半導体デバイス（１５０）上にある電気絶縁性の第２の絶縁層（１６０）とを備えるパワーモジュールデバイス（１００）が提供される。

Description

説明
発明の分野
本発明は、パワーエレクトロニクス（ＰＥ）の分野に関し、より詳細には、パワー半導体デバイスが組み込まれたパワーモジュールデバイスに関する。

発明の背景
従来のパワーモジュールでは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）チップ、パワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）チップ、またはパワーダイオードチップなどのパワー半導体チップは、良好な熱接触および熱拡散を保証するために直接接合銅（ＤＢＣ）基板上にはんだ付けされる。セラミックコア層と、セラミックコア層の両側に銅（Ｃｕ）層とを含むＤＢＣ基板は、それらの優れた熱伝導率および導電率ならびに良好な機械的特性で知られている。ＤＢＣ基板を製造するために、セラミックコア層への銅箔の直接接合は、通常１０００℃を超える高温で行われる。製造中のＤＢＣ基板の曲げを回避するために、同じ厚さを有する銅箔がセラミックコア層の両側に接合される。したがって、ＤＢＣ基板は対称的なＣｕ／セラミック／Ｃｕ構造を有する。ＤＢＣ基板上にはんだ付けされた半導体チップは、一般にワイヤボンディングによって接触され、シリコーンゲルは、典型的には、電気絶縁ならびに機械的および環境的保護を提供するために使用される。市販のＤＢＣ基板のセラミックコア層は、少なくとも２５０μｍの層厚を有し、ＤＢＣ基板の熱抵抗に関する制限をもたらす。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのパワー半導体デバイスなどのワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体ベースのパワー半導体デバイスは、高速スイッチング能力を有し、パワーエレクトロニクス（ＰＥ）用途におけるスイッチング損失を低減することを可能にする。パワー半導体デバイスにおけるより低いスイッチング損失は、例えば、より高いスイッチング周波数を可能にし、これは、より高い電力密度および／または冷却に関する要件の低減など、システム設計の多くの態様に関して有益であり得る。しかしながら、スイッチング損失は、パワー半導体デバイス自体の技術だけでなく、転流回路やゲート（制御）回路における寄生インダクタンスなどの寄生にも依存する。寄生は、パッケージによって強く決定される。したがって、パワー半導体デバイスの高速スイッチング能力から完全に利益を得るためには、パワー半導体デバイスが統合されたパワーモジュールの設計に多くの注意を払う必要があり、これにより、例えば、転流経路およびゲートの低インダクタンス、平衡ダイナミクスおよび電流共有が達成され、これらのすべてが最終的に臨界振動のない高速スイッチングをもたらす。

高速スイッチングパワーモジュールを構築することを可能にする最も魅力的な技術の１つは、パワー半導体デバイスのプリント回路基板（ＰＣＢ）埋め込みである。ＰＣＢ埋め込みは、柔軟なモジュールレイアウトを可能にし、モジュールパッケージ特性は、各パワー半導体デバイスに対して個別に対処することができる。さらに、ＰＣＢ埋め込みは、他の構成要素（ゲートドライブ、抵抗器、コンデンサ、温度センサなど）とパワー半導体デバイスとの、モジュール内への直接かつパワー半導体デバイスに非常に近い統合を単純化する。別の利点は、既存のＰＥ設計においても従来のパワーモジュールの直接交換を可能にする、従来のパワーモジュールのハウジングと同じ設置面積またはフォームファクタを有するハウジング内への埋め込み可能性である。

米国特許出願公開第２０１５／０２２３３２０号明細書は、ＰＣＢ埋め込みパワーモジュールを開示しており、パワー半導体デバイスは、ＰＣＢ材料（例えばＦＲ－４）の２つの剛性コア層の間に挟まれたプリプレグ材料（例えばＦＲ－４）の積層層内に埋め込まれるか、またはプリプレグ材料の積層層によって互いに接続されたＰＣＢ材料の２つの剛性層のうちの１つの空洞内に少なくとも部分的に埋め込まれる。ＰＣＢ材料のコア層の比較的大きな厚さは、より高い電圧を取り扱うパワー半導体デバイスを電気的に絶縁するために必要とされる。この既知のＰＣＢ埋め込みパワーモジュールにおいて比較的大きい厚さを有するＰＣＢ材料のこのようなコア層は、比較的高い熱抵抗および比較的低い熱性能という欠点を有する。

Ｄａｎｉｅｌ Ｊ．Ｋｅａｒｎｅｙらによる「ＰＣＢ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ、ＰＡＣＫＡＧＩＮＧＡＮＤ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、ＶＯＬ．７、ＮＯ．３、２０１７年３月、３８７－３９５ページには、電力半導体チップ（ＩＧＢＴおよびダイオード）がＤＢＣ基板上に直接接合されている従来の直接接合銅（ＤＢＣ）パッケージの代替として、６つのＩＧＢＴおよび６つのダイオードに基づく三相インバータを含むＰＣＢパワーモジュールデバイスが記載されている。このＰＣＢパワーモジュールでは、６つのＩＧＢＴおよび６つのダイオードのチップは、予め機械加工された空洞を有するリードフレームに焼結される。リードフレームは、機械的支持を提供し、熱拡散を強化し、チップの底部電極に電位を分配する。チップ付きリードフレームは、２つの絶縁層に挟まれている。上部からチップ上面メタライゼーションにアクセスし接触するために、レーザドリリングによって上部絶縁層に孔が穿設され、銅で充填されて銅ビアが形成される。半導体が埋め込まれたリードフレームは、下部絶縁層を介して銅ベースプレートに取り付けられ、ＰＣＢパワーモジュール構造を完成させる。従来のＤＢＣ基板をプリプレグ層によって銅ベースプレートに接続されたリードフレームで置き換えることは、熱拡散の改善に関して有利であり、その結果、最大デバイス温度が低くなると記載されている。しかしながら、電気デバイスの日射および積層プロセスへの一体化に必要なプリプレグ層は、比較的高い熱抵抗を有し、したがって依然として比較的低い熱性能を有するという欠点を有する。

Ｊｏｈａｎｎ Ｓｃｈｎｕｒらによる「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＣＢ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｆｏｒ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ」、ＣＩＰＳ ２０１８、第１０回Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍｓには、誘電冷却剤を使用することによって熱性能をさらに改善するための代替手法が記載されている。ＰＣＢ材料に埋め込まれたＩＧＢＴチップを備える記載されたパワーモジュールは、冷却器への電気絶縁を必要とせず、ＩＧＢＴチップから冷却器への熱経路を短縮することができる。しかしながら、誘電体冷却剤を介したＩＧＢＴチップの底部電極への電気的接続は、他の既知の設計よりも複雑で信頼性が低い場合がある。

非特許文献ＸＰ０５５７３３２８５から、集積された薄型低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）インダクタを有する底部ＰＣＢと、バックコンバータ回路のローサイドＭＯＳＦＥＴおよびハイサイドＭＯＳＦＥＴが集積された上部ＰＣＢとを備える高電力密度コンバータモジュールが開示されていることが知られている。ＬＴＣＣインダクタは、底部メタライゼーションを備える。

非特許文献ＸＰ０１１７６９５６８から、第１の絶縁層、リードフレーム、パワーダイ、および第２の絶縁層を備えるＰＣＢ埋め込みチップ構造が知られている。

非特許文献ＸＰ０１１７０８５３８から、半導体デバイスがＦＲ－４積層体に埋め込まれたＰＣＢ埋め込みダイ技術が知られている。

発明の概要
本発明の目的は、熱性能が改善されたパワー半導体デバイスが埋め込まれた信頼性の高いパワーモジュールデバイスおよびその製造方法を提供することである。

本発明の目的は、請求項１に記載のパワーモジュールデバイスによって達成される。本発明のさらなる発展は、従属請求項に明記されている。

例示的な実施形態では、パワーモジュールデバイスは、第１の主面と、第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する。パワーモジュールデバイスは、第１の主面から第２の主面へと順に、ベースプレートと、ベースプレート上の電気絶縁セラミック層と、セラミック層上の電気絶縁第１の絶縁層と、第１の絶縁層上の導電性リードフレームと、リードフレーム上のパワー半導体デバイスと、パワー半導体デバイス上の電気絶縁第２の絶縁層とを備え、パワー半導体デバイスは、リードフレームと第２の絶縁層との間に埋め込まれている。リードフレームは、第１の絶縁層およびセラミック層によってベースプレートから電気的に絶縁されている。第１の絶縁層はプリプレグ材料を備え、リードフレームへのセラミック層の良好な機械的かつ安定した接続を確実にする。他方の面では、ベースプレートに電気絶縁を提供するセラミック層を考慮して、これを比較的薄くすることができる。プリプレグ材料の熱伝導率よりも高いセラミック材料の高い熱伝導率のために、パワーモジュールデバイスの熱性能が改善されるが、セラミック層とリードフレームとの間の第１の絶縁層は比較的薄くてもよく、リードフレームとセラミック層との間の確実な接続を提供する。

第１の絶縁層の層厚は１００μｍ未満である。このような第１の絶縁層の厚さは、プリプレグ材料からなる絶縁層のみによってリードフレームとベースプレートとが分離されている比較例において、リードフレームとベースプレートとの電気的絶縁に通常必要とされる厚さよりも大幅に薄い。

例示的な実施形態では、第１の絶縁層は、リードフレームと直接接触している。リードフレームとプリプレグ材料を含む第１の絶縁層との間の接着性は比較的高く、リードフレームと第１の絶縁層との間の接続は、デバイス動作中の熱サイクルに耐えることができる。

例示的な実施形態では、ベースプレートは導電性材料を備えることができる。例えば、ベースプレートは、銅などの金属を備えることができる。この例示的な実施形態では、ベースプレートは冷却器への接続に適している。金属、特に銅は、比較的高い導電率および熱伝導率を有する。これは、良好な熱拡散特性を有し、セラミック層に対して非常に良好な接着性を示す。

例示的な実施形態では、第２の絶縁層はプリプレグ材料を備える。第２の絶縁層がパワー半導体デバイスのプリプレグ材料埋め込みを備える場合、リードフレームとセラミック層との間の接続の形成は、圧力および熱の印加を伴う単一のプリプレグ接合プロセスで行うことができる。これにより、パワーモジュールデバイスの製造が容易になる。

例示的な実施形態では、パワーモジュールデバイスは、パワー半導体デバイスとは反対側の第２の絶縁層上に導電層を備え、パワー半導体デバイスは、第２の絶縁層を貫通して延在する少なくとも１つのビアを介して導電層に電気的に接続される。

第１の絶縁層の層厚は、７０μｍ未満であってもよい。
例示的な実施形態では、セラミック層は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの２０Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える熱伝導率を有する電気絶縁セラミック層を備える。２０Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える熱伝導率は、今日利用可能なすべてのプリプレグまたはＰＣＢ材料の熱伝導率よりも著しく高い。

例示的な実施形態では、リードフレームの第１の絶縁層とは反対側に凹部が形成され、パワー半導体デバイスの少なくとも一部が凹部内に配置される。凹部は、パワーモジュールデバイスへのパワー半導体デバイスの埋め込みを容易にする。

例示的な実施形態では、セラミック層の層厚は、２００μｍ以下、または１００μｍ以下である。例えば、セラミック層の層厚は、５０μｍ～２００μｍの範囲内、または５０μｍ～１００μｍの範囲内であってもよい。このような層厚により、セラミック層および比較的薄い第１の絶縁層は、目的のすべての電圧クラスに対して十分な電気絶縁を提供することができる。

例示的な実施形態では、パワー半導体デバイスは、底面を有する半導体チップであり、底面にメタライゼーション層が形成され、メタライゼーション層はリードフレームに電気的および熱的に接続される。このような例示的な実施形態では、リードフレームへの電気的および熱的接触が容易になる。

例示的な実施形態では、パワー半導体デバイスは、絶縁ゲートバイポーラサイリスタ、サイリスタ、金属－絶縁体－半導体電界効果トランジスタ、接合電界効果トランジスタ、ダイオード、およびショットキーダイオードのうちの少なくとも１つを備える。

例示的な実施形態では、セラミック層と第１の絶縁層との間に接着層が配置され、接着層は銅層などの金属層を備える。接着層の厚さは、５０μｍ未満または２５μｍ未満または１０μｍ未満であってもよい。この場合、第１の絶縁層およびセラミック層は、接着層と直接接触していてもよい。接着層は、セラミック層と第１の絶縁層のプリプレグ材料との間の接着を改善する。

別の例示的な実施形態では、第１の絶縁層はセラミック層と直接接触している。
上記で説明した実施形態のいずれかのパワーモジュールデバイスは、請求項１６に記載の方法によって製造することができる。

図面の簡単な説明
本発明の主題は、添付の図面を参照して実施形態の以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。

第１の実施形態によるパワーモジュールデバイスの断面を示す。 第１の実施形態の変形例によるパワーモジュールデバイスの断面を示す。 図１Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 図１Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 図１Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 図１Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 図１Ｂのパワーモジュールデバイスの製造方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 第２の実施形態によるパワーモジュールデバイスの断面を示す。 第２の実施形態の変形例によるパワーモジュールデバイスの断面を示す。 図４Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 図４Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 図４Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 第３の実施形態によるパワーモジュールデバイスの断面を示す。 第３の実施形態の変形例によるパワーモジュールデバイスの断面を示す。 図６Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 図６Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。 図６Ａのパワーモジュールデバイスを製造するための方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。

図面で使用される参照符号およびそれらの意味は、参照符号のリストに要約されている。一般に、同様のまたは同様に機能する部品には同じ参照符号が与えられる。記載された実施形態は、例として意図されており、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものではない。

好ましい実施形態の詳細な説明
以下、第１の実施形態によるパワーモジュールデバイス１００について説明する。図１Ａは、パワーモジュールデバイス１００の断面図を示す。図２Ａ～図２Ｄは、図１Ａのパワーモジュールデバイス１００の製造方法の例示的な実施形態における方法ステップを示す。パワーモジュールデバイス１００は、第１の主面１０２と、第１の主面１０２とは反対側の第２の主面１０４とを有する。第１の主面１０２から第２の主面１０４へと順に、パワーモジュールデバイス１００は、ベースプレート１１０と、電気絶縁セラミック層１２０と、電気絶縁第１の絶縁層１３０と、導電性リードフレーム１４０と、パワー半導体デバイス１５０と、電気絶縁第２の絶縁層１６０と、導電層１８０とを備える。

パワー半導体デバイス１５０は、底面と底面とは反対側の上面とを有する半導体チップであってもよい。底面は、第１の主面１０２に面する半導体チップの面であり、上面は、第２の主面１０４に面する半導体チップの面である。底部メタライゼーション層１５１が底面に形成され、リードフレーム１４０に電気的に接続される。例示的には、底部メタライゼーション層１５１は、（半導体チップをリードフレーム接触層１７０に接合するその機能のために、接合層とも呼ばれ得る）焼結層、はんだ層、または接着層のいずれかであり得る接触層１７０によってリードフレーム１４０に接続される。あるいは、底部メタライゼーション層１５１は、リードフレーム１４０に直接接続されてもよい。例示的には、パワー半導体デバイス１５０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、金属－絶縁体－半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、ダイオード、およびショットキーダイオードのうちの少なくとも１つを備えることができる。第１の実施形態では、リードフレーム１４０の第２の主面１０４に面する側に、凹部１４２（図２Ａ参照）が形成されている。リードフレーム１４０は、第２の主面１０４に面する平坦な上面１４４を有してもよく、上面１４４から凹部１４２が窪んでいる。パワーモジュールデバイス１００の他の要素を含まないパワーモジュールデバイス１００のリードフレーム１４０を示す図２Ａに示すように、凹部１４２は深さｄ１を有する。第１の実施形態では、深さｄ１は、接触層１７０、底部メタライゼーション層１５１、パワー半導体デバイス１５０、および頂部メタライゼーション層１５２を組み合わせた厚さと実質的に同じである。したがって、リードフレーム１４０の上部実質的に平坦面１４４は、頂部メタライゼーション層１５２の上側と実質的に同一平面上にあり、その上側は、第２の主面１０４に面する頂部メタライゼーション層１５２の側面である。

セラミック層１２０は、ベースプレート１１０上に配置されている。ベースプレート１１０とセラミック層１２０とは、互いに直接接触していてもよい。第１の絶縁層１３０は、セラミック層１２０上に配置されている。セラミック層１２０と第１の絶縁層１３０とは直接接触していてもよい。リードフレーム１４０は、第１の絶縁層１３０上に配置されている。ここで、第１の絶縁層１３０とリードフレーム１４０とは直接接触していてもよい。第２の絶縁層１６０は、リードフレーム１４０上およびパワー半導体デバイス１５０上に配置されている。それは、リードフレーム１４０の少なくとも上面１４４および頂部メタライゼーション層１５２の上面と直接接触してもよい。パワー半導体デバイス１５０は、頂部メタライゼーション層１５２、底部メタライゼーション層１５１、および接触層１７０と共に、第２の絶縁層１６０とリードフレーム１４０との間に挟まれるかまたは埋め込まれる。凹部１４２の側壁とパワー半導体デバイス１５０の側面との間の空間は、少なくとも部分的に第２の絶縁層１６０または他の絶縁材料で充填されてもよい。あるいは、この空間は、気体で満たされていてもよいし、空き空間であってもよい。

ベースプレート１１０は、金属などの導電性材料を備えることができる。ベースプレート１１０は、例示的に、銅（Ｃｕ）から形成されてよい。前述の構成では、リードフレーム１４０は、ベースプレート１１０とリードフレーム１４０との間に配置されたセラミック層１２０および第１の絶縁層１３０によってベースプレート１１０から電気的に絶縁されている。

セラミック層１２０は、電気的に絶縁性である。これは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を備えることができ、これらはすべて高い熱伝導率を有する。セラミック層１２０の熱伝導率は、化学組成だけでなく、セラミック層１２０の結晶性にも依存する。セラミック層１２０は、２０Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える熱伝導率を有することができるが、既知のプリプレグ材料は、１０Ｗ／（ｍ×Ｋ）をはるかに下回る熱伝導率を有する。例えば、ＦＲ－４は、約０．４Ｗ／（ｍ×Ｋ）の熱伝導率を有する。したがって、セラミック層１２０は、パワーモジュールデバイス１００の著しく改善された熱性能を提供することができる。

セラミック層１２０の層厚ｄ２は、２００μｍ以下であってもよく、１００μｍ以下であってもよい。例えば、ｄ２は、５０μｍ～２００μｍの範囲内、または５０μｍ～１００μｍの範囲内であってもよい。層ｄ２がこのような範囲にあると、目的の電圧クラスに対して十分な電気絶縁を達成することができる。

第１の絶縁層１３０はプリプレグ材料を備え、これは熱安定性無機充填材料と熱軟化性プラスチックまたは熱硬化性ポリマーマトリックス材料とを備える材料である。充填材料は、繊維ガラス、セルロース繊維、綿繊維または複合繊維のような繊維状材料であってもよい。マトリックス材料は、例示的に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、またはポリエステルであってよい。熱軟化性プラスチックは、通常の環境条件下では固体であるが、高温および／または高圧が加えられると軟化し、高温／高圧条件が緩和されると再び固化する。

第１の絶縁層１３０は、例示的に、ＦＲ－２（綿紙充填剤を含むフェノール樹脂マトリックス）、ＦＲ－３（綿紙充填剤を含むエポキシ樹脂マトリックス）、ＦＲ－４（織ったガラス充填剤を含むエポキシ樹脂マトリックス）、ＦＲ－６（艶消ししたガラス充填剤を含むポリエステルマトリックス）、Ｇ－１０（織ったガラス充填剤を含むエポキシ樹脂）、ＣＥＭ－２（織ったガラス充填剤を含むエポキシ樹脂）、ＣＥＭ－３（不織ガラス充填剤を含むエポキシ樹脂）、ＣＥＭ－４（織ったガラス充填剤を含むエポキシ樹脂マトリックス）、ＣＥＭ－５（織ったガラス充填剤を含むポリエステルマトリックス）から作製されたプリプレグ材料を備えることができる。プリプレグ材料を備える第１の絶縁層１３０は、接着剤の特性を有する。

第１の絶縁層１３０の層厚ｄ４は、１００μｍ未満または７０μｍ未満である。セラミック層１２０全体の効率的な電気絶縁のために、プリプレグ材料を備える第１の絶縁層１３０は、第１の絶縁層１３０がリードフレーム１４０をベースプレート１１０から電気的に絶縁する唯一の要素である場合よりもはるかに薄くてもよい。プリプレグ材料を備える比較的薄い第１の絶縁層１３０のみが、セラミック層１２０とリードフレーム１４０との間の確実な接続を提供するのに十分である。これにより、第１の絶縁層１３０の熱抵抗を比較的低くすることができる。

第２の絶縁層１６０はまた、図２Ａ～図２Ｄを参照して以下により詳細に説明するように、パワーモジュールデバイス１００の製造を容易にするプリプレグ材料を備えてもよい。

第１の実施形態では、導電層１８０は、パワー半導体デバイス１５０とは反対側の第２の絶縁層１６０上に配置され、パワー半導体デバイス１５０は、リードフレーム１４０の上面１４４に垂直な垂直方向に第２の絶縁層１６０を通って延びる少なくとも１つのビア２、４、６を介して導電層１８０に電気的に接続される。図１に示すように、導電層１８０は、互いに分離され、電気的に絶縁された第１の層部分１８０ａ、第２の層部分１８０ｂ、および第３の層部分１８０ｃを含むことができる。第１の層部分１８０ａは、１つまたは複数の第１のビア２を介してリードフレーム１４０に接続され、接触層１７０を介して底部メタライゼーション１５１に電気的に接続される。底部メタライゼーション１５１は、パワー半導体デバイス１５０の第１の主端子に電気的に接続されてもよい。第２の層部分１８０ｂは、１つまたは複数の第２のビア４を介して頂部メタライゼーション層１５２の第１の部分に電気的に接続されてもよく、頂部メタライゼーション層１５２の第１の部分は、パワー半導体デバイス１５０の第２の主端子に電気的に接続されてもよい。頂部メタライゼーション層１５２の第１の部分および第２の部分は分離されており、互いに電気的に絶縁されている（図では、頂部メタライゼーション層１５２の第１の部分と第２の部分との間の分離は示されていない）。第３の層部分１８０ｃは、１つまたは複数の第３のビア６を介して頂部メタライゼーション層１５２の第２の部分に電気的に接続されてもよく、これはパワー半導体デバイス１５０の制御端子に電気的に接続されてもよい。例示的な実施形態では、パワー半導体デバイス１５０は電気スイッチであってもよく、第１の主接点と第２の主接点との間に流れる電流は、制御端子に印加される電流または電圧によって制御することができる。

以下、第１の実施形態によるパワーモジュールデバイス１００の例示的な製造方法について、図２Ａ～２Ｄを用いて説明する。ここで、図１Ａを参照して上述したのと同じ符号を有する要素は、同じ特性または特徴を有し、その詳細な説明は繰り返さない。

第１の実施形態によるパワーモジュールデバイス１００の例示的な製造方法は、図２Ａに示すように、かつ上述したように、リードフレーム１４０を設ける方法ステップを含む。その後、底部メタライゼーション層１５１および頂部メタライゼーション層１５２を有するパワー半導体デバイス１５０は、図２Ｂに示すように、接触層１７０によってリードフレーム１４０の凹部１４２の底部に取り付けられる。パワー半導体デバイス１５０のリードフレーム１４０への取り付けは、例えば、はんだ付け、焼結、接着により行うことができる。はんだ付けによって取り付けが行われる場合、接触層１７０ははんだ層であり、焼結によって取り付けが行われる場合、接触層１７０は焼結層であり、接着によって取り付けが行われる場合、接触層１７０は接着層である。あるいは、パワー半導体デバイス１５０は、接触層１７０なしで、すなわち底部メタライゼーション層１５１とリードフレーム１４０との間の直接接触で、リードフレーム１４０上に直接接合されてもよい。

別の方法ステップでは、セラミック層１２０は、例えば、３次元印刷、付加製造、コールドガススプレー、低温共焼成、または薄いセラミック層を形成するための任意の他の適切なプロセスによって形成される。セラミック層１２０は、基板としてベースプレート１１０上に直接形成されてもよく、または別々に形成され、その後にのみベース１１０に取り付けられてもよい。セラミック層１２０を２００μｍ以下の層厚ｄ２で形成することは、ベースプレート１１０を基板として用いる場合に容易である。

別の方法ステップでは、ベースプレート１１０、セラミック層１２０、少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａ、リードフレーム１４０とリードフレーム１４０に取り付けられたパワー半導体デバイス１５０、および少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂを層スタックに配置する（積層プロセスともいう）。次いで、この層スタックは、圧力および熱を加えることによって互いに融着される（プリプレグ接合プロセスともいう）。プリプレグ層１３０ａ、１６０ａ、１６０ｂは、層スタックに加えられる温度および／または圧力によって活性化され得る接着剤の特性を有する。プリプレグ接合プロセス後、少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａが第１の絶縁層１３０に変質し、少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂが第２の絶縁層１６０に変質する。

その後、図２Ｄに示すように、第２の絶縁層１６０に第１～第３の孔２ａ、４ａ、６ａを穿設する。各第１の孔２ａには第１のビア２が形成され、各第２の孔４ａには第２のビア４が形成され、各第３の孔６ａには第３のビア６が形成される。

そして、その結果できた構造上に導電層１８０を形成することにより、図１Ａに示すようなパワーモジュールデバイス１００が得られる。

図１Ｂには、第１の実施形態の変形例によるパワーモジュールデバイス２００の断面が示されている。パワーモジュールデバイス１００とパワーデバイス２００との間の多くの類似性のために、以下では違いのみを説明するが、他のすべての特徴に関しては、パワーモジュールデバイス１００の上記の説明を参照する。パワーモジュールデバイス２００は、セラミック層１２０と第１の絶縁層１３０との間に接着層１２５が配置され、接着層１２５が銅層などの金属層を備える点でのみ、パワーモジュールデバイス１００と異なる。接着層１２５の層厚ｄ３は、５０μｍ未満または２５μｍ未満または１０μｍ未満であってもよい。例示的には、ベースプレート１１０の層厚ｄ５は、接着層１２５の層厚ｄ３の少なくとも２倍または３倍である。接着層１２５は、それぞれセラミック層１２０および第１の絶縁層１３０と直接接触していてもよい。接着層１２５によって、セラミック層１２０と第１の絶縁層１３０との間の強固な接合を達成することができる。セラミック層１２０と第１の絶縁層１３０との接合は、接着層１２５がない場合よりも強固で安定しており、したがって信頼性が高い。

例示的なパワーモジュールデバイス２００の製造方法は、上述した例示的なパワーモジュールデバイス１００の製造方法と同様である。唯一の相違点は、上述の銅接着層１２５が、プリプレグ接合プロセスの前に、例えばスパッタリングプロセス、付加製造またはコールドスプレーによってセラミック層１２０上に形成されることである。積層プロセスによって形成された積層体では、セラミック層１２０と少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａとの接続性を高めるために、セラミック層１２０と少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａとの間に銅接着層１２５が配置されている。

図４Ａには、第２の実施形態によるパワーモジュールデバイス３００の断面が示されている。第１の実施形態によるパワーモジュールデバイス１００と第２の実施形態によるパワーモジュールデバイス３００との間の多くの類似性のために、以下では違いのみを説明するが、他のすべての特徴に関しては、パワーモジュールデバイス１００の上記の説明を参照する。第２の実施形態によるパワーモジュールデバイス３００は、リードフレーム１４０’の凹部１４２’の深さｄ１’が、接触層１７０、底部メタライゼーション層１５１、パワー半導体デバイス１５０、および頂部メタライゼーション層１５２の合計厚さよりも小さい点で、第１の実施形態によるパワーモジュールデバイス１００とは異なる。それ以外では、リードフレーム１４０’は、第１の実施形態におけるリードフレーム１４０と同様である。したがって、リードフレーム１４０’の上部実質的に平坦面１４４’は、頂部メタライゼーション層１５２の上側と実質的に同一平面上にはないが、接触層１７０、底部メタライゼーション層１５１、パワー半導体デバイス１５０、および頂部メタライゼーション層１５２を備えるスタックの一部は、リードフレーム１４０’の上部実質的に平坦面１４４’から突出する。第２の絶縁層１６０’は、凹部１４２’よりも上側の部分の厚さが薄く、リードフレーム１４０’の上部実質的に平坦面１４４’よりも上側の部分の厚さが厚い点で、第１の実施形態における第２の絶縁層１６０と異なっているが、パワーモジュールデバイス１００における第２の絶縁層１４０の厚さは、凹部１４２よりも上側の部分および上部実質的に平坦面１４４よりも上側の部分と異なっていなくてもよい。第２の絶縁層１６０’の厚さのばらつきに応じて、ビア２’、４’、６’の長さが異なっていてもよい。第１のビア２’は、第２の絶縁層１６０’の比較的厚い部分を通って延びなければならず、一方、第２のビア４’および第３のビア６’は、第２の絶縁層１６０’の比較的薄い部分を通って延びなければならない。第２の実施形態によるパワーモジュールデバイス３００は、第１の実施形態によるパワーモジュールデバイス１００と比較して、リードフレームの厚さのばらつきが少なく、熱拡散性を改善できるという利点を有する。他方で、第２の絶縁層１６０’は、パワー半導体デバイス１５０を埋め込むために、第２の絶縁層１６０よりも大きい厚さを必要とし得る。

以下、第２の実施形態によるパワーモジュールデバイス３００の例示的な製造方法について、図５Ａ～５Ｃを用いて説明する。ここで、図１Ａおよび４Ａを参照して上述したのと同じ符号を有する要素は、同じ特性または特徴を有し、その詳細な説明は繰り返さない。

第２の実施形態によるパワーモジュールデバイス３００の例示的な製造方法は、図５Ａに示すように、かつ上述したように、リードフレーム１４０を設ける方法ステップを含む。その後、底部メタライゼーション層１５１および頂部メタライゼーション層１５２を有するパワー半導体デバイス１５０は、図５Ｂに示すように、接触層１７０によってリードフレーム１４０’の凹部１４２’の底部に取り付けられる。先に図２Ａ～図２Ｄを参照して説明した例示的な実施形態と同様に、パワー半導体デバイス１５０のリードフレーム１４０’への取り付けは、例えば、はんだ付け、焼結、接着により行うことができる。図５Ｂに示すように、接触層１７０、底部メタライゼーション層１５１、パワー半導体デバイス１５０、および頂部メタライゼーション層１５２を備えるスタックは、リードフレーム１４０’から突出している、すなわち、頂部メタライゼーション層１５２の上面は、リードフレーム１４０’の上部実質的に平坦面１４４’よりも第２の主面１０４に近い。

別の方法ステップでは、図２Ａ～２Ｄを参照して上述した例示的な実施形態のようにセラミック層１２０が形成され、繰り返しの説明は省略する。

図２Ａ～図２Ｄを参照して上述した例示的な実施形態と同様の別の方法ステップでは、図５Ｃに示すように、ベースプレート１１０、セラミック層１２０、少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａ、リードフレーム１４０’とリードフレーム１４０’に取り付けられたパワー半導体デバイス１５０、および少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂを層スタックに配置する（積層プロセスともいう）。次いで、この層スタックは、圧力および熱を加えることによって互いに融着される（プリプレグ接合プロセスともいう）。プリプレグ層１３０ａ、１６０ａ、１６０ｂは、層スタックに加えられる温度および／または圧力によって活性化され得る接着剤の特性を有する。プリプレグ接合プロセス後、少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａが第１の絶縁層１３０に変質し、少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂが第２の絶縁層１６０’に変質する。

その後、図２Ｄを参照して上述したのと同様に、第２の絶縁層１６０’に第１～第３の孔を穿設する。ここでの唯一の違いは、パワー半導体デバイス１５０の上方に位置する第２の絶縁層１６０’の部分を貫通する孔が、リードフレーム１４０’の上部実質的に平坦面１４４’の上方に位置する第２の絶縁層１６０’の部分を貫通する（すなわち、パワー半導体デバイス１５０の上方に位置しない第２の絶縁層１６０’の部分を貫通する）孔よりも短いことである。上述と同様に、各第１の孔には第１のビア２’が形成され、各第２の孔には第２のビア４’が形成され、各第３の孔には第３のビア６’が形成される。

そして、その結果できた構造上に導電層１８０を形成することにより、図４Ａに示すようなパワーモジュールデバイス３００が得られる。

図４Ｂには、第２の実施形態の変形例によるパワーモジュールデバイス４００の断面が示されている。パワーモジュールデバイス３００とパワーデバイス４００との間の多くの類似性のために、以下では違いのみを説明するが、他のすべての特徴に関しては、パワーモジュールデバイス３００の上記の説明を参照する。パワーモジュールデバイス４００は、変形された第１の実施形態のように、セラミック層１２０と第１の絶縁層１３０との間に接着層１２５が配置され、接着層１２５が銅層などの金属層を備える点でのみ、パワーモジュールデバイス３００と異なる。上述した第１の実施形態の変形例のように、接着層１２５の層厚ｄ３は、５０μｍ未満または２５μｍ未満または１０μｍ未満であってもよい。例示的には、ベースプレート１１０の層厚ｄ５は、接着層１２５の層厚ｄ３の少なくとも２倍または３倍である。接着層１２５は、それぞれセラミック層１２０および第１の絶縁層１３０と直接接触していてもよい。接着層１２５によって、第１の実施形態の変形例と同様に、セラミック層１２０と第１の絶縁層１３０との接合を容易にすることができる。接合は、接着層１２５がない場合よりも強固で安定しており、したがって信頼性が高い。

例示的なパワーモジュールデバイス４００の製造方法は、上述した例示的なパワーモジュールデバイス３００の製造方法と同様である。唯一の相違点は、上述の銅接着層１２５が、プリプレグ接合プロセスの前に、例えばスパッタリングプロセス、付加製造またはコールドスプレーによってセラミック層１２０上に形成されることである。積層プロセスによって形成された積層体では、セラミック層１２０と少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａとの接続性を高めるために、セラミック層１２０と少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａとの間に銅接着層１２５が配置されている。

図６Ａには、第３の実施形態によるパワーモジュールデバイス５００の断面が示されている。第１の実施形態によるパワーモジュールデバイス１００と第３の実施形態によるパワーモジュールデバイス５００との間の多くの類似性のために、以下では違いのみを説明するが、他のすべての特徴に関しては、パワーモジュールデバイス１００の上記の説明を参照する。パワーモジュールデバイス５００は、リードフレーム１４０’’が凹部を有さず、パワー半導体デバイス１５０がリードフレーム１４０’’の連続した上部平坦面１４４’’上に配置されているという点でパワーモジュールデバイス１００と異なる。したがって、リードフレーム１４０’’は一定の厚さを有することができ、第１のおよび第２の実施形態と比較してリードフレーム１４０’’内の熱の熱拡散が改善される。他方で、パワー半導体デバイス１５０の上方の第２の絶縁層１６０’’の第１の部分（すなわち、上部実質的に平坦面１４４’’に垂直な方向から見て、パワー半導体デバイス１５０と重なる部分）と、第２の絶縁層１６０’’のパワー半導体デバイス側の第２の部分（すなわち、上部実質的に平坦面１４４’’に垂直な方向から見て、パワー半導体デバイス１５０と重ならない部分）との厚さの差は、第２の実施形態よりも大きい。

以下、第３の実施形態によるパワーモジュールデバイス５００の例示的な製造方法について、図７Ａ～７Ｃを用いて説明する。ここで、図１Ａおよび６Ａを参照して上述したのと同じ符号を有する要素は、同じ特性または特徴を有し、その詳細な説明は繰り返さない。

第３の実施形態によるパワーモジュールデバイス５００の例示的な製造方法は、図７Ａに示すように、かつ上述したように、リードフレーム１４０’’を設ける方法ステップを含む。その後、底部メタライゼーション層１５１および頂部メタライゼーション層１５２を有するパワー半導体デバイス１５０は、図７Ｂに示すように、接触層１７０によってリードフレーム１４４’’の上部実質的に平坦面１４４’’上でリードフレーム１４０に取り付けられる。先に図２Ａ～図２Ｄを参照して説明した例示的な実施形態と同様に、パワー半導体デバイス１５０のリードフレーム１４０’’への取り付けは、例えば、はんだ付け、焼結、接着により行うことができる。図７Ｂに示すように、接触層１７０、底部メタライゼーション層１５１、パワー半導体デバイス１５０、および頂部メタライゼーション層１５２を備えるスタック全体は、リードフレーム１４０’’から突出している、すなわち、スタック全体は、リードフレーム１４０’’の上部実質的に平坦面１４４’’よりも第２の主面１０４に近い。

別の方法ステップでは、図２Ａ～２Ｄを参照して上述した例示的な実施形態のようにセラミック層１２０が形成され、繰り返しの説明は省略する。

図２Ａ～図２Ｄを参照して上述した例示的な実施形態と同様の別の方法ステップでは、図７Ｃに示すように、ベースプレート１１０、セラミック層１２０、少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａ、リードフレーム１４０’’とリードフレーム１４０’’に取り付けられたパワー半導体デバイス１５０、および少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃを層スタックに配置する（積層プロセスともいう）。次いで、この層スタックは、圧力および熱を加えることによって互いに融着される（プリプレグ接合プロセスともいう）。プリプレグ層１３０ａ、１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃは、層スタックに加えられる温度および／または圧力によって活性化され得る接着剤の特性を有する。プリプレグ接合プロセス後、少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａが第１の絶縁層１３０に変質し、少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃが第２の絶縁層１６０’’に変質する。図２Ｃおよび図５Ｃと比較して、より多くの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂおよび１６０ｃが示されており、これは、リードフレーム１４０’’と第２の絶縁層１６０’’との間にパワー半導体デバイス１５０を埋め込むためのパワーモジュールデバイス５００を製造する方法の例示的な実施形態において、より多くのプリプレグ材料が必要であり得ることを示している。

その後、図２Ｄを参照して上述したのと同様に、第２の絶縁層１６０’’に第１～第３の孔を穿設する。ここでの唯一の違いは、パワー半導体デバイス１５０の上方に位置する第２の絶縁層１６０’’の部分を貫通する孔が、パワー半導体デバイス１５０の上方に位置しない第２の絶縁層１６０’’の部分を貫通する孔よりも短いことである。上述と同様に、各第１の孔には第１のビア２’’が形成され、各第２の孔には第２のビア４’’が形成され、各第３の孔には第３のビア６’’が形成される。

そして、その結果できた構造上に導電層１８０を形成することにより、図６Ａに示すようなパワーモジュールデバイスが得られる。

図６Ｂには、第３の実施形態の変形例によるパワーモジュールデバイス６００の断面が示されている。パワーモジュールデバイス５００とパワーデバイス６００との間の多くの類似性のために、以下では違いのみを説明するが、他のすべての特徴に関しては、パワーモジュールデバイス５００の上記の説明を参照する。パワーモジュールデバイス６００は、変形された第１および第２の実施形態のように、セラミック層１２０と第１の絶縁層１３０との間に接着層１２５が配置され、接着層１２５が銅層などの金属層を備える点でのみ、パワーモジュールデバイス５００と異なる。接着層１２５の層厚ｄ３は、５０μｍ未満または２５μｍ未満または１０μｍ未満であってもよい。例示的には、ベースプレート１１０の層厚ｄ５は、接着層１２５の層厚ｄ３の少なくとも２倍または３倍である。接着層１２５は、それぞれセラミック層１２０および第１の絶縁層１３０と直接接触していてもよい。接着層１２５によって、第１または第２の実施形態の変形例と同様に、セラミック層１２０と第１の絶縁層１３０との接続を容易にすることができる。接続は、接着層１２５がない場合よりも強固で安定しており、したがって信頼性が高い。

例示的なパワーモジュールデバイス６００の製造方法は、上述した例示的なパワーモジュールデバイス５００の製造方法と同様である。唯一の相違点は、上述の銅接着層１２５が、プリプレグ接合プロセスの前に、例えばスパッタリングプロセス、付加製造またはコールドスプレーによってセラミック層１２０上に形成されることである。積層プロセスによって形成された積層体では、セラミック層１２０と少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａとの接続性を高めるために、セラミック層１２０と少なくとも１つの第１のプリプレグ層１３０ａとの間に銅接着層１２５が配置されている。

本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、他の特定の形態で実施できることが当業者には理解されよう。

上記のすべての実施形態は、パワー半導体デバイス１５０の２つの主端子および１つの制御端子に接触するための３つの別個の層部分１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃを含む導電層１８０を用いて説明された。しかしながら、本発明のパワーモジュールデバイス１００～６００のパワー半導体デバイス１５０は、制御端子を備えなくてもよく、したがって、導電層１８０は、２つの別個の層部分１８０ａおよび１８０ｂのみを備えてもよい。また、主端子および／または制御端子は、導電層１８０に接続されていなくてもよく、導電層１８０以外の外部接触端子に接続されていてもよく、パワーモジュールデバイス１００～６００の導電層１８０は、任意の他の数の別個の層部分１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃを備えてもよく、またはパワーモジュールデバイス１００～６００は、導電層１８０を全く備えなくてもよい。

本発明の任意の実施形態によるパワーモジュールデバイスは、複数のパワー半導体デバイスを備えてもよい。これらの複数のパワー半導体デバイスの各々は、リードフレームにおける別個の凹部に配置されてもよい。また、これらの複数のパワー半導体デバイスは、導電層１８０を介して、第２の絶縁層１６０、１６０’、１６０’’を通って延びる１つまたは複数のビアを介して、および／またはリードフレーム１４０、１４０’、１４０’’などのパワーモジュールデバイス内の他の導電要素を介して互いに電気的に接続されてもよい。

パワーモジュールデバイス１００～６００のうちの１つを製造するためのすべての例示的な実施形態では、プリプレグ接合プロセス後に導電層１８０、１８０’、１８０’’が形成された。しかしながら、プリプレグ接合プロセスの前に、導電層１８０、１８０’、１８０’’の少なくとも一部または全部が既に層スタックに含まれていてもよい。この場合、第２の絶縁層１６０、１６０’、１６０’’を通って延びる第１から第３のビアを形成するために、第１から第３の孔２ａ、４ａ、６ａは、第２の絶縁層１６０、１６０’、１６０’’を貫通するだけでなく、導電層１８０、１８０’、１８０’’および第２の絶縁層１６０、１６０’、１６０’’を備える層スタックを貫通するように穿設されなければならない。

パワーモジュールデバイス１００～６００のうちの１つを形成するための例示的な実施形態では、第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃは、図に一定の厚さを有する連続層として示されている。しかしながら、少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃは、少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃの底部側に空洞開口部を形成するように予め切断されてもよい。この空洞は、パワー半導体デバイス１５０が取り付けられた状態で少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃがリードフレーム１４０’、１４０’’の頂部に配置されると、半導体デバイス１５０の少なくとも一部がそのような空洞に収容されるように、半導体デバイス１５０の形状に対応することができる。空洞を形成するように少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃを予め切断することにより、熱および／または圧力を加えることによってプリプレグ接合プロセスが開始される前に、少なくとも１つの第２のプリプレグ層１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃを既にパワー半導体デバイス１５０に密接に接触させることができ、したがってパワー半導体デバイス１５０を密接に埋め込むのに役立つ。

上記の例示的な実施形態では、パワーモジュールデバイス１００から６００は、第２の絶縁層１６０、１６０’、１６０’’上に単一の導電層１８０、１８０’、１８０’’のみを有する単層ＰＣＢデバイスである。しかしながら、修正された例示的な実施形態では、パワーモジュールデバイスは、第２の絶縁層１６０、１６０’、１６０’’の上に追加の絶縁層によって垂直に分離された複数の導電層のスタックを備える多層ＰＣＢデバイスである。そのような多層ＰＣＢでは、複数の導電層は、追加の絶縁層を通って延びる追加のビアによって相互接続されてもよい。導電層の各々は、単一の領域を含んでもよく、または電気的に絶縁された複数の小領域からなってもよい。このようにして、より複雑な電気回路を実装することができる。

「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は他の要素またはステップを排除せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を排除するものではないことに留意されたい。また、異なる実施形態に関連して説明した要素を組み合わせてもよい。特許請求の範囲における参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことにも留意されたい。

符号のリスト
２，２’，２’’ 第１のビア
２ａ 第１の孔
４，４’，４’’ 第２のビア
４ａ 第２の孔
６，６’，６’’ 第３のビア
６ａ 第３の孔
１００，２００，３００，４００，５００，６００ パワーモジュールデバイス
１０２ 第１の主面
１０４ 第２の主面
１１０ ベースプレート
１２０ セラミック層
１２５ 接着層
１３０ 第１の絶縁層
１３０ａ 第１のプリプレグ層
１４０，１４０’，１４０’’ リードフレーム
１４２，１４２’ 凹部
１４４，１４４’，１４４’’ 上部実質的に平坦面
１５０ パワー半導体デバイス
１５１ 底部メタライゼーション層
１５２ 頂部メタライゼーション層
１６０，１６０’，１６０’’ 第２の絶縁層
１６０ａ，１６０ｂ，１６０ｃ 第２のプリプレグ層
１７０ 接触層／接合層
１８０ 導電層
１８０ａ （導電層１８０の）第１の部分
１８０ｂ （導電層１８０の）第２の部分
１８０ｃ （導電層１８０の）第３の部分
ｄ１ （凹部１４２の）深さ
ｄ２ （セラミック層１２０の）層厚
ｄ３ （接着層１２５の）層厚
ｄ４ （第１の絶縁層１３０の）層厚
ｄ５ （ベースプレート１１０の）層厚

Claims (15)

1. 第１の主面（１０２）と前記第１の主面（１０２）とは反対側の第２の主面（１０４）とを有するパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）であって、前記パワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）は、前記第１の主面（１０２）から前記第２の主面（１０４）へと順に、
   ベースプレート（１１０）と、
   前記ベースプレート（１１０）上の電気絶縁セラミック層（１２０）と、
   前記セラミック層（１２０）上の電気絶縁性の第１の絶縁層（１３０）であって、プリプレグ材料を備える第１の絶縁層（１３０）と、
   前記第１の絶縁層（１３０）上の導電性リードフレーム（１４０、１４０’、１４０’’）であって、前記ベースプレート（１１０）から電気的に絶縁されている、導電性リードフレーム（１４０、１４０’、１４０’’）と、
   パワー半導体デバイス（１５０）と、
   電気絶縁性の第２の絶縁層（１６０、１６０’、１６０’’）であって、前記リードフレーム（１４０）と前記第２の絶縁層（１６０、１６０’、１６０’’）との間に前記パワー半導体デバイス（１５０）が埋め込まれるように前記パワー半導体デバイス（１５０）上にある、電気絶縁性の第２の絶縁層（１６０、１６０’、１６０’’）とを備え、
   前記パワー半導体デバイス（１５０）は、前記リードフレーム（１４０、１４０’、１４０’’）上に配置され、
   前記第１の絶縁層（１３０）の層厚（ｄ４）は１００μｍ未満である、パワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
2. 前記第１の絶縁層（１３０）は、前記リードフレーム（１４０、１４０’、１４０’’）と直接接触している、請求項１に記載のパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
3. 前記ベースプレート（１１０）は、導電性材料または金属もしくは銅を備える、請求項１または２に記載のパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
4. 前記第２の絶縁層（１６０、１６０’、１６０’’）はプリプレグ材料を備える、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デバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
5. 前記第１の絶縁層（１３０）の層厚（ｄ４）は７０μｍ未満である、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デバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
6. 前記セラミック層（１２０）は、２０Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える熱伝導率を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
7. 前記リードフレーム（１４０、１４０’）の前記第１の絶縁層（１３０）とは反対側に凹部（１４２、１４２’）が形成され、前記パワー半導体デバイス（１５０）の少なくとも一部は前記凹部（１４２、１４２’）内に配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載のパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００）。
8. 前記セラミック層（１２０）の層厚（ｄ２）は、２００μｍ以下、または１００μｍ以下、または５０μｍから２００μｍの範囲、または５０μｍから１００μｍの範囲である、請求項１から７のいずれか１項に記載のパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
9. 前記パワー半導体デバイス（１５０）は底面を有する半導体チップであり、前記底面に底部メタライゼーション層（１５１）が形成され、前記底部メタライゼーション層（１５１）は前記リードフレーム（１４０、１４０’、１４０’’）に電気的に接続されている、請求項１から８のいずれか１項に記載のパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
10. 前記パワー半導体デバイス（１５０）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、サイリスタ、金属－絶縁体－半導体電界効果トランジスタ、金属酸化物－半導体電界効果トランジスタ、接合電界効果トランジスタ、ダイオード、およびショットキーダイオードのうちの少なくとも１つを備える、請求項１から９のいずれか１項に記載のパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）。
11. 前記セラミック層（１２０）と前記第１の絶縁層（１３０）との間に接着層（１２５）を備え、前記接着層（１２５）は金属層または銅層を備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載のパワーモジュールデバイス（２００、４００、６００）。
12. 前記接着層（１２５）の層厚（ｄ３）は、５０μｍ未満または２５μｍ未満または１０μｍ未満である、請求項１１に記載のパワーモジュールデバイス（２００、４００、６００）。
13. 前記第１の絶縁層（１３０）は前記接着層（１２５）と直接接触している、請求項１１または１２に記載のパワーモジュールデバイス（２００、４００、６００）。
14. 前記第１の絶縁層（１３０）は前記セラミック層（１２０）と直接接触している、請求項１から１０のいずれか１項に記載のパワーモジュールデバイス（１００、３００、５００）。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載のパワーモジュールデバイス（１００、２００、３００、４００、５００、６００）の製造方法であって、
    （ｉ）リードフレーム（１４０、１４０’、１４０’’）を提供するステップと、
    （ｉｉ）パワー半導体デバイス（１５０）を前記リードフレームに取り付けるステップと、
    （ｉｉｉ）ベースプレート（１１０）を基板として使用して前記ベースプレート（１１０）上に電気絶縁セラミック層（１２０）を形成するステップと、
    （ｉｖ）前記セラミック層（１２０）が上に形成された前記ベースプレート（１１０）と、第１のプリプレグ層（１３０ａ）と、前記パワー半導体デバイス（１５０）が取り付けられた前記リードフレーム（１４０、１４０’、１４０’’）と、第２のプリプレグ層（１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ）と、をこの順に層スタックに配置するステップと、
    （ｖ）前記層スタックに熱および圧力を加えるステップであって、前記第１のプリプレグ層（１３０ａ）が１００μｍ未満の層厚（ｄ４）を有する前記第１の絶縁層（１３０）に変質する、ステップと、
    を少なくとも含む、方法。

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