Embedded power package

Abstract

An embedded power package (100) is disclosed. The embedded power package (100) comprises a PCB (110) comprising one or more embedded electronic components (111, 112) and a metallization layer (120) to electrically connect the one or more embedded electronic components (111, 112). The PCB (110) comprises a power section (101) in which one or more embedded electronic components (111, 112) are embedded and in which a first part (120a) of the metallization layer (120) is arranged. The embedded power package (100) comprises a metal layer reinforcement (130) enforcing the first part (120a) of the metallization layer (120). The metal layer reinforcement (130) is configured to increase a current carrying capability and / or a thermal mass of the first part (120a) of the metallization layer (120) for carrying a current of the one or more embedded electronic components (111, 112).

Description

EMBEDDED POWER PACKAGETECHNICAL FIELD

[0001] The disclosure relates to an embedded power package with metal layer reinforcement and methods for manufacturing such package. The disclosure relates to techniques for locally increasing Cu thickness for power modules and power packages.BACKGROUND

[0002] Embedded Chip or Component packaging (ECP) is a new packaging technology that was originally developed for embedding logic dies (where typically small pitch and high accuracy is needed) inside a PCB (printed circuit board) substrate but due to many advantages it is nowadays used also for power packaging. The main benefit of the embedding technology is that it allows to reduce the parasitic inductances and to maximize the electrical performance of the modules and at the same time to reduce the package size. One of the main challenges in ECP technology is that the embedding process is typically using HDI (high density interconnect) PCB or substrate manufacturing processes and equipment. This process is optimized for small line and spaces and due to that the Cu thickness is limited. One of the main reasons why chip embedding technology is not yet widely used in medium and high voltage applications is that the current carrying capability and the thermal performance of typical ECP package is limited due to relatively small Cu volume and thin Cu routing layer thicknesses.SUMMARY

[0003] This disclosure provides a solution for a higher power and higher voltage ECP in which thick Cu lines on modules inner or outer layers are provided to allow better current carrying capability and lower current density.

[0004] The foregoing and other objects are achieved by the features of the independent claims. Further implementation forms are apparent from the dependent claims, the description and the figures.

[0005] Embodiments of the solution presented in this disclosure increase the conductor line thickness in selected areas and only in areas where such increasing is required from thermal and / or electrical reasons. The additional conductive material is attached on the substrate (on top of the existing conductor line) after the substrate is manufactured. Depending on the concept and maximum processing temperature the process can be done either before or after component placement. Because the conductor line thickness is increased only on selected areas (not on whole panel) it allows that the same board can have areas that have different Cu thicknesses, e.g., as shown in Figure 1 in which different areas exist: 1) Areas with thick and wide Cu lines with large spacing for power routing; and 2) Areas with thin Cu lines with small line and space that is required for passives and logic dies. The increased Cu thickness can locate exactly on top of the embedded die and the shape and thickness of the thick Cu area can be optimized for the application (any shape and wide range of thickness can be produced) .

[0006] In order to describe the disclosure in detail, the following terms and notations will be used.

[0007] PCB   Printed Circuit Board

[0008] HDI   High Density Interconnect

[0009] CE    Chip Embedding

[0010] DSC   Double Side Cooled

[0011] ECP   Embedded Chip (or Component) Package

[0012] BMP   Board Mounted Power

[0013] PSiP  Power Supply in Package

[0014] PMIC  Power Management Integrated Circuit

[0015] IMS   Insulated Metal Substrate

[0016] Chip embedding (CE) or embedded component packaging (ECP) is an advanced packaging technology where bare dies typically with Cu metallization are embedded inside PCB material and connected to the Cu routing on the package with plated μvias. This packaging technology uses PCB manufacturing processes for the embedding or encapsulation of semiconductor dies. The result can either be an SMT package or module which can be soldered onto standard PCBs, or a PCB board which has semiconductor dies or components integrated inside. Chip embedding is a panel level packaging process technology.

[0017] FR4 is a composite material that is widely used in PCB industry as a substrate material. It consists of epoxy resin with or without additional ceramic particles and it is reinforced with woven glass fibers or fiber mat.

[0018] Embedded power packaging in the context of this invention understands the embedding of power electronic devices and components into PCBs using chip embedding technology. This is in contrast to conventional s assembly and packaging, where packaged components are soldered onto the outer layers of a PCB by means of surface mount technology (SMT) . It is also in contrast to conventional power module packaging with framed or molded modules. Embedded power packaging as it is understood here does not relate to embedded systems or embedded power systems.

[0019] PMIC (Power management IC) is an integrated circuits that are used for power management. A PMIC is a single die power device that is typically used in battery-operated devices (such as mobile phone, portable media players) and devices (such as routers) where small size and reduction of the used space is required.

[0020] Board Mounted Power (BMP) is a definition for board level DC power conversion module that are used for example in telecom related application. According to a definition a board mount power supply converts electrical power from a source into a format suitable for powering a desired load, such as DC to DC converters.

[0021] PSiP (Power Supply in Package) is a type of buck converter that forms a complete power supply in a single small size and compact package. The package includes typically a switching controller, power dies (e.g. MOSFET, GaN) , capacitors and magnetics. PSiPs are typically used as point-of-load (POL) regulators to power different devices (e.g. microprocessors, ASICs and FPGAs) that are mounted on a system board in telecom, datacom, and industrial applications.

[0022] According to a first aspect, the disclosure relates to an embedded power package, comprising: a Printed Circuit Board (PCB) , comprising one or more embedded electronic components, the PCB comprising a metallization layer which is configured to electrically connect the one or more embedded electronic components; wherein the PCB comprises a power section in which one or more power electronic components are embedded and in which a first part of the metallization layer is arranged; and a metal layer reinforcement enforcing the first part of the metallization layer, the metal layer reinforcement being configured to increase a current carrying capability and / or a thermal mass of the first part of the metallization layer for carrying a current and / or spreading the generated heat of the one or more power electronic components.

[0023] Such an embedded power package enables higher power and higher voltage ECP in which the metal reinforcement provides thick metal (e.g. Cu) lines on modules inner or outer layers allowing better current carrying capability and lower current density.

[0024] The effect (and purpose) of the metal layer reinforcement (or metal layer thickening) is to increase locally the effective Cu or metal line thickness of the power module with additive manufacturing processes. The metal thickness is increased only locally in the selected areas where it is needed to improve the current carrying capability and / or thermal mass / thermal performance of the package and keep it thin in areas where high density is needed (e.g. Logic area) .

[0025] In an exemplary implementation of the embedded power package, the metal layer reinforcement is arranged upon and is electrically contacting the first part of the metallization layer or at least parts of the first part. Accordingly, the first part which is arranged in the power section of the PCB is reinforced allowing better current carrying capability and lower current density in that first part where the power electronic is implemented.

[0026] In an exemplary implementation of the embedded power package, the metallization layer with the metal layer reinforcement is arranged on a main surface of the PCB; or the metallization layer with the metal layer reinforcement is embedded in the PCB. This allows a flexible design. The higher current carrying capability can be either implemented on the PCB’s surface or embedded within the PCB.

[0027] In an exemplary implementation of the embedded power package, a thickness of the metal layer reinforcement is between about 20μm and 300μm or more. Such a thickness is suitable for high current carrying capability and allows superior thermal dissipation.

[0028] In an exemplary implementation of the embedded power package, the first part of the metallization layer enforced with the metal layer reinforcement is configured to carry high currents of even up to 400 Amperes and above (depending on the thickness) . Such a metal layer reinforcement allows to carry high currents, e.g., as observed in power electronics, for example used for electric vehicles or photovoltaic plants.

[0029] In an exemplary implementation of the embedded power package, the PCB comprises a logic section in which one or more logic electronic components are embedded and in which a second part of the metallization layer is arranged; wherein a thickness of the metallization layer in both, the power section and the logic section is typically between about 30μm and 60μm (but can in some cases be more or even less (20μm -70μm or 20μm -150μm) ) .

[0030] This can be the normal thickness of a metallization layer for distribution of currents in the logic section of the package. Thus, logic section and power section can be advantageously combined in one package in which a common metallization layer can be used and in which only the power section is reinforced by the metal layer reinforcement for higher current carrying capability. The logic section does not have to be reinforced.

[0031] In an exemplary implementation of the embedded power package, the embedded power package comprises: at least one passive electronic component attached on the second part of the metallization layer, the at least one passive electronic component forming at least part of a driver circuitry. This passive electronic component can be a driver circuitry or a part thereof which can be attached to the logic section, e.g., on the same common metallization layer which is not reinforced in the logic section.

[0032] In an exemplary implementation of the embedded power package, the metal layer reinforcement comprises one or a combination of the following: a porous layer, a solid layer.

[0033] Porous layer offers better adhesion and in many cases also lower CTE mismatch. Solid layer offers superior thermal dissipation properties.

[0034] In an exemplary implementation of the embedded power package, the metal layer reinforcement comprises one or a combination of the following: a plasma dust coating layer, a 3D metal printing layer, a cured conductive material or metal adhesive paste or ink layer, a solidified sinter or solder paste layer, a soldered, transient liquid soldered, sintered or welded Cu layer, a soldered or sintered ceramic layer, a soldered or sintered Insulated Metal Substrate, IMS, layer. Thus, different manufacturing technologies can be applied for producing the metal layer reinforcement.

[0035] In an exemplary implementation of the embedded power package, the plasma dust coating layer comprises solidified metal particles which are fused with the first part of the metallization layer. Such plasma dust coating layer can be applied at low temperatures. Because the process can be performed at low temperature, it can be used to coat organic material.

[0036] In an exemplary implementation of the embedded power package, the 3D metal printing layer comprises metal powder or metal particles coating the first part of the metallization layer. By applying such processes, the layer thickness of the metallization layer can be efficiently increased. A stable metal connection can be produced.

[0037] In an exemplary implementation of the embedded power package, the conductive material or metal adhesive paste or ink is made of one or a combination of the following: silver or nickel particles in a polymer matrix, alloy or coated metal particles in a polymer matrix, conductive nanoparticles, low temperature sinter paste, metal paste, TLPS or solder paste. This allows high flexibility in selection of the materials which shall be used for the metal layer reinforcement.

[0038] In an exemplary implementation of the embedded power package, the welded Cu layer comprises a preform made of a Cu spacer or a Cu foil, the preform being connected to the first part of the metallization layer by printed solder or sinter paste or by ultrasonic welding, thermosonic welding or laser welding. By using such a preform, a fast production of the metal layer reinforcement can be provided.

[0039] In an exemplary implementation of the embedded power package, the ceramic or IMS layer comprises a preform made of an IMS or ceramic substrate, the preform being connected to the first part of the metallization layer by printed solder or sinter paste. By using such a preform made of ceramics or IMS, a fast production of the metal layer reinforcement can be provided and electrical isolation between the power routing and possible heat sinks can be efficiently provided.

[0040] In an exemplary implementation of the embedded power package, the one or more power electronic components comprise one or more power devices, power management ICs, PMICs, and power MOSFETs which are based on Si, SiC, GaN or other wide bandgap semiconductor technology. The embedded power package according to the disclosure can be manufactured for different types of power electronic components based on the latest semiconductor technologies to enable compact and robust wide bandgap solutions.

[0041] According to a second aspect, the disclosure relates to a method for producing an embedded power package, the method comprising: embedding one or more embedded electronic components in a Printed Circuit Board (PCB) ; arranging a metallization layer on the PCB; electrically connecting the one or more embedded electronic components by the metallization layer; wherein one or more power electronic components are embedded in a power section of the PCB in which power section a first part of the metallization layer is arranged; and attaching a metal layer reinforcement to the first part of the metallization layer, the metal layer reinforcement being configured to increase a current carrying capability and / or a thermal mass of the first part of the metallization layer for carrying a current of the one or more power electronic components. In configuration with embedded components the reinforced metal layer may at least partly overlapping one or several embedded power components.

[0042] Such a method allows production of embedded power packages for higher power and higher voltage ECP in which thick Cu lines on modules inner or outer layers are provided to allow better current carrying capability and lower current density.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0043] Further embodiments of the disclosure will be described with respect to the following figures, in which:

[0044] Figure 1 shows a schematic cross section of an exemplary embedded power package 100 with an enlarged view of the area including the metal layer reinforcement 130 according to the disclosure;

[0045] Figure 2 shows schematic cross sections of an exemplary embedded power package produced by different material deposition 200a, 200b according to different embodiments;

[0046] Figure 3a shows schematic cross sections of an exemplary embedded power package produced by a first method 300a according to an embodiment;

[0047] Figure 3b shows schematic cross sections of an exemplary embedded power package produced by a second method 300b according to an embodiment;

[0048] Figure 3c shows schematic cross sections of an exemplary embedded power package produced by a third method 300c according to an embodiment;

[0049] Figure 4 shows a schematic diagram illustrating an exemplary process flow for manufacturing an embedded power package according to an embodiment;

[0050] Figure 5 shows a schematic cross section of an exemplary embedded power package 500 produced by using a preform according to an embodiment; and

[0051] Figure 6 shows a schematic diagram illustrating an exemplary process flow for manufacturing an embedded power package according to an embodiment;DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

[0052] In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part thereof, and in which is shown by way of illustration specific aspects in which the disclosure may be practiced. It is understood that other aspects may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the disclosure. The following detailed description, therefore, is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the disclosure is defined by the appended claims.

[0053] It is understood that comments made in connection with a described method may also hold true for a corresponding device or system configured to perform the method and vice versa. For example, if a specific method step is described, a corresponding device may include a unit to perform the described method step, even if such unit is not explicitly described or illustrated in the figures. Further, it is understood that the features of the various exemplary aspects described herein may be combined with each other, unless specifically noted otherwise.

[0054] Figure 1 shows a schematic cross section of an exemplary embedded power package 100 with an enlarged view of the area including the metal layer reinforcement 130 according to the disclosure.

[0055] The embedded power package 100 comprises: a Printed Circuit Board (PCB) 110, comprising one or more embedded electronic components 111, 112. The PCB 110 comprises a metallization layer 120 which is configured to electrically connect the one or more embedded electronic components 111, 112.

[0056] The PCB 110 comprises a power section 101 in which one or more power electronic components 111, 112 are embedded and in which a first part 120a of the metallization layer 120 is arranged.

[0057] The embedded power package 100 comprises: a metal layer reinforcement 130 enforcing the first part 120a of the metallization layer 120. The metal layer reinforcement 130 is configured to increase a current carrying capability and / or a thermal mass of the first part 120a of the metallization layer 120 for carrying a current of the one or more power electronic components 111, 112. The reinforcement 130 may at least partly overlap the embedded components 111, 112. Only in some specific application there may be no overlapping.

[0058] The purpose of the metal layer reinforcement 130 (or metal layer thickening 130) is to increase locally the effective Cu or metal line thickness of the power module with additive manufacturing processes. The metal thickness is increased only locally in the selected areas where it is needed to improve the current carrying capability and / or thermal mass / thermal performance of the package and keep it thin in areas where high density is needed (e.g., Logic area) .

[0059] The metal layer reinforcement 130 may be arranged upon and is electrically contacting the first part 120a of the metallization layer 120 or at least parts of the first part 120a.

[0060] The metallization layer 120 with the metal layer reinforcement 130 may be arranged on a main surface 110a of the PCB 110. Alternatively or additionally, the metallization layer 120 with the metal layer reinforcement 130 may be embedded in the PCB 110.

[0061] A thickness of the metal layer reinforcement 130 can be, for example, between about 20μm and 300μm or more.

[0062] The first part 120a of the metallization layer 120 enforced with the metal layer reinforcement 130 may be configured to carry high currents of even up to (depending on the thickness) 400 Amperes and above.

[0063] The PCB 110 may comprise a logic section 102 in which one or more logic electronic components are embedded and in which a second part 120b of the metallization layer 120 is arranged. A thickness of the metallization layer 130 in both, the power section 101 and the logic section 102 can be, for example, between about 30μm and 60μm.

[0064] The embedded power package 100 may comprise: at least one passive electronic component 140 attached on the second part 120b of the metallization layer 120. The at least one passive electronic component 140 may form at least part of a driver circuitry.

[0065] The metal layer reinforcement 130 may comprise one or a combination of a porous layer and a solid layer.

[0066] The metal layer reinforcement 130 may comprise one or a combination of the following: a plasma dust coating layer, a 3D metal printing layer, a cured conductive material or metal adhesive paste or ink layer, a solidified sinter or solder paste layer, a soldered, transient liquid soldered, sintered or welded Cu layer, a soldered or sintered ceramic layer, a soldered or sintered Insulated Metal Substrate, IMS, layer, e.g., as described below with respect to Figure 2.

[0067] The plasma dust coating layer may comprise solidified metal particles which are fused with the first part 120a of the metallization layer 120, e.g., as described below with respect to Figure 2.

[0068] The 3D metal printing layer may comprise metal powder or metal particles coating the first part 120a of the metallization layer 120.

[0069] The conductive material or metal adhesive paste or ink can, for example, be made of one or a combination of the following: silver or nickel particles in a polymer matrix, alloy or coated metal particles in a polymer matrix, conductive nanoparticles, low temperature sinter paste, metal paste, TLPS or solder paste.

[0070] The welded Cu layer may comprise a preform made of a Cu spacer or a Cu foil, the preform being connected to the first part 120a of the metallization layer 120 by printed solder or sinter paste or by ultrasonic welding, thermosonic welding or laser welding.

[0071] The ceramic or IMS layer may comprise a preform made of an IMS or ceramic substrate, the preform being connected to the first part 120a of the metallization layer 120 by printed solder or sinter paste.

[0072] The one or more power electronic components 111, 112 may comprise one or more power devices, power management ICs, PMICs, and power MOSFETs which can be based on Si, SiC, GaN or other wide bandgap semiconductor technology.

[0073] The embedded power package 100 shown in Figure 1 can locally increase the effective Cu or metal line thickness of the power module with additive manufacturing processes.

[0074] The metal thickness can be increased only locally in the selected areas where it is needed to improve the current carrying capability and / or thermal performance of the package and keep it thin in areas where high density is needed (e.g. Logic area) . The additional metal or conductive material can be processed on top of the already existing conductive traces and the thickness of the coated layer can vary from e.g. 20 -200μm, for example (depending on the process and needs) , but it can be more in some specific applications. The conductive material can be added, for example, by printing, 3D printing, dispensing, laser melting, plasma dust processes or by some other suitable method.

[0075] The disclosed solution can be used with power packages and modules where the power components are embedded inside the PCB substrate or with power packages and modules where the power components are mounted on the PCB substrate.

[0076] For example, the disclosed solution can be applied in board mounted power modules where several high-voltage (e.g., 150V) MOSFETS are embedded inside a multilayer PCB with a high number (but it can be only few, as well) of small size and pitch logic and passives on top. The limited Cu thickness of for example 30-50μm due to HDI PCB process can be overcome by using a metal layer reinforcement as presented in this disclosure.

[0077] For example, the disclosed solution can be applied in DSC ECP (Double Side Cooled Embedded Component Package) modules where several high voltage (e.g., 1200V) SiC dies are embedded inside a PCB board with driver die and some passives on top of the module. Depending on the application the max output current of such a module can be more than 450A. For being able to carry such a high current the Cu line can be enforced by a metal layer reinforcement as presented in this disclosure. Such a solution is able to avoid electrical and thermal problems.

[0078] The disclosed solution presented herein provides an embedded power package in which the power and logic parts can be integrated into the same PCB / substrate. Such a disclosed embedded power package  can fulfill the following requirements for the power section and the logic section: 1) Power section: Cu thickness of about 100 -300μm (or even thicker) ; Line and space is not critical, wide lines and the space need to meet the clearance requirements; 2) Logic section: Cu thickness of about 30 -60μm; Line and space of about 50μm  / 50μm to 150μm  / 150μm.

[0079] The embedded power package as described herein allows to increase locally Cu thickness. It can be used in various future power modules and applications.

[0080] Figure 2 shows schematic cross sections of an exemplary embedded power package produced by different material deposition 200a, 200b according to different embodiments.

[0081] The metal layer reinforcement 130 as shown in Figure 1 can be produced by applying different material depositions as shown in Figure 2, e.g., additive material deposition 200a as shown on the left-hand side of Figure 2 or solid material attachment 200b as shown on the right-hand side of Figure 2.

[0082] The production methods can be divided into two different subgroups and five different methods and material options. The first subgroup is additive material deposition 200a as shown on the left-hand side of Figure 2. The second subgroup is solid material attachment 200b as shown on the right-hand side of Figure 2.

[0083] A first material option (1) is deposition of plasma dust or 3D printed material as shown on the top left-hand side of Figure 2 where the metal layer reinforcement 130 is applied to the first part 120a of the metallization layer 120 by a plasma dust or 3D printed material process.

[0084] A second material option (2) is deposition of conductive adhesive paste or ink as shown on the middle left-hand side of Figure 2 where the metal layer reinforcement 130 is applied to the first part 120a of the metallization layer 120 by a conductive adhesive paste or ink.

[0085] A third material option (3) is deposition of a sinter or solder paste as shown on the bottom left-hand side of Figure 2 where the metal layer reinforcement 130 is applied to the first part 120a of the metallization layer 120 by deposition of a sinter or solder paste.

[0086] A fourth material option (4) is attachment of a welded Cu material as shown on the top right-hand side of Figure 2 where the metal layer reinforcement 130 is applied to the first part 120a of the metallization layer 120 by welding a Cu material.

[0087] A fifth material option (5) is attachment of a soldered or sintered ceramic or IMS substrate as shown on the bottom right-hand side of Figure 2 where the metal layer reinforcement 130 is applied to the first part 120a of the metallization layer 120 by soldering or sintering a ceramic or IMS substrate.

[0088] The increased thickness of the copper layer can be achieved by depositing powder or paste type material on the substrate or by using solid preforms that are attached to the substrate. The Cu increased thickness can be on a top layer of the substrate or embedded inside the substrate, e.g., as shown in Figures 3a to 3c.

[0089] A basic idea of this embodiment is to increase the Cu thickness of the power routing layer by using 3D metal printing or plasma dust processes.

[0090] The plasma dust process is a low temperature plasma coating process (for example at temperatures of about 150 -250 ℃) where small size (size range, for example, of about 100 nm -20 μm) charged metal particles are fed into the plasma nozzle and melted by a highly energetic nitrogen gas plasma. The plasma nozzle is moving on top of the substrate that will be coated and when the plasma jet and melted metal particles hit the substrate, the particles solidify and fuse with the substrate metallization. Because the process is performed at low temperatures it can be used to coat organic material

[0091] In addition to plasma dust also different types of 3D metal printing processes can be used, e.g., 1) Laser Beam Melting (LBM) , also known as selective laser melting (SLM) where the substrate is coated with metal powder that is melted with a laser beam; 2) Electron Beam Melting (EBM) , that is similar to LBM but is using an electron beam to melt the metal particles; 3) Binder jetting (BJ) which uses jetting of metal particles with binder; 4) Laser Metal Deposition (LMD) where metal particles are supplied by nozzle and melted with a laser.

[0092] The common idea in all processes above is to use metal particles (typically Cu) and 3D printing type processes to increase the layer thickness of the substrate. The nano / microscale size metal particles are melted either before or during the jetting process or after the substrate is coated with metal particles. Depending on the process and particle types that are used the layer can be solid or porous.

[0093] Figure 3a shows schematic cross sections of an exemplary embedded power package produced by a first method 300a according to an embodiment.

[0094] This first method 300a is related to an “After component assembly” where the metal layer reinforcement 130 is applied after assembly of the external electronic components 140. In a first process step, the PCB 110 with the embedded electronic components 111, 112 is produced. In a second process step, external components such as driver circuitry 140 are mounted to the PCB 110. In a third process step, the metal layer reinforcement 130 is applied to the first part 120a of the metallization layer 120 to provide the embedded power package 100 according to Figure 1.

[0095] Figure 3b shows schematic cross sections of an exemplary embedded power package produced by a second method 300b according to an embodiment.

[0096] This second method 300b is related to a “Before component assembly” where the metal layer reinforcement 130 is applied before assembly of the external electronic components 140. In a first process step, the PCB 110 with the embedded electronic components 111, 112 is produced. In a second process step, the metal layer reinforcement 130 is applied to the first part 120a of the metallization layer 120. In a third process step, the external electronic components such as the driver circuitry 140 are mounted to the PCB.

[0097] Figure 3c shows schematic cross sections of an exemplary embedded power package produced by a third method 300c according to an embodiment.

[0098] This third method 300c is related to a “Inside PCB (in inner layers) ” where the metal layer reinforcement 130 is embedded inside the PCB 110. In a first process step, the metal layer reinforcement 130 is applied to the first part 120a of the metallization layer 120 on the PCB. In a second process step, the PCB is enlarged to embed the metal layer reinforcement 130. In a third process step, the external electronic components such as the driver circuitry 140 are mounted onto the enlarged PCB 110 with the embedded metal layer reinforcement 130.

[0099] Figure 4 shows a schematic diagram illustrating an exemplary process flow for manufacturing an embedded power package according to an embodiment.

[0100] The idea of this embodiment is to use conductive or metal paste that is printed or dispensed on the selected area. The printed paste will be transformed after heat treatment to a conductive metal layer. Depending on the material and process that are used the metal layer can be dense or porous.

[0101] The basic process flow process includes following process steps as shown in Figure 4:

[0102] A first process step ( “Embedded die after 1st stage or PCB without die” ) 400a comprises: Providing the conductive material paste on top of the power metal, e.g., by stencil printing, ink jet printing, dispensing or other suitable method.

[0103] A second process step ( “Print paste (optional drying process” ) 400b comprises: Drying the paste (in case e.g. the solvent needs to be removed) .

[0104] A third process step ( “reflow, pressure-less sintering, curing” ) 400c comprises: Curing / sintering / melting the paste in normal atmosphere, vacuum or in reactive atmosphere.

[0105] The materials that can be used are for example: Conductive adhesive paste (highly filled silver, Ni, etc particles in polymer matrix) ; Conductive nanoparticles paste or ink; Low temperature sinter paste; Metal paste (e.g., TLPS or solder paste) .

[0106] Figure 5 shows a schematic cross section of an exemplary embedded power package 500 produced by using a preform according to an embodiment.

[0107] Basic idea of this embodiment is to use a preform with thick Cu that is mounted and connected on top of the power routing. The preform can be for example a Cu spacer, Cu foil, IMS or ceramic substrate 130. The preform can be connected to the substrate metal layer 120a with printed solder or sinter paste or by ultrasonic welding, thermo-sonic welding or laser welding. If IMS or ceramic substrate 130 is used it allows also an integrated isolation between the power routing and a possible heat sink 501 as shown in Figure 5.

[0108] Figure 6 shows a schematic diagram illustrating an exemplary process flow for manufacturing an embedded power package according to an embodiment.

[0109] This embodiment describes a process how embedded Cu lines can be manufactured by using a sinter lamination or a hybrid bonding method. This process includes the following process steps:

[0110] A first process step ( “Embedded die after 1st stage or PCB without die” ) 600a may comprise: Printing Cu, Ag sinter paste or TLPS paste on top of the core layer or inner layers.

[0111] A second process step ( “Print paste &dry (drive solvents out) ” ) 600b may comprise: Curing or drying the paste in case a paste with solvent is used. Repeating the process until target metal thickness is achieved.

[0112] A third process step ( “Lay-up” ) 600c may comprise: Manufacturing prepregs or resin foils with routed, punched or laser cut opening. Stacking prepreg and Cu foil on both sides of the core layer.

[0113] A fourth process step ( “Sinter &laminate metal paste &prepreg” ) 600d may comprise: Laminate the layers together with normal PCB vacuum lamination process.

[0114] A fifth process step ( “Structure the outer Cu layer” ) 600e may comprise: Structuring Cu foil with normal lithography and etching processes.

[0115] A sixth process step ( “Print paste and lay-up” ) 600f and a seventh process step ( “Successive build-up or SMA of components” ) 600g may comprise: Repeat the printing, curing, lamination and structuring processes as many times than the structure and layup requires.

[0116] The solution described in this disclosure provides an embedded power package 100 and a method for manufacturing such embedded power product as described above with respect to Figures 1 to 6.

[0117] The solution can be performed by the following: Creation of thick copper or other metal traces by means of additive manufacturing (e.g., plasma dust writing, printing / sintering of Ag / Cu / TLPS paste, etc. ) without the need for expensive electro-galvanic thick Cu deposition systems. The Cu can be increased only in the area where the thick Cu is needed. The same product can contain power areas with thick Cu and logic areas with thin Cu and small line and spaces. The process can be used with various different types or substrates and manufacturing process. The process can be combined with ECP (with embedding components) where the PCB manufacturing process typically has limited Cu thicknesses. The process can be performed after the normal substrate or optionally also after component placement process.

[0118] While a particular feature or aspect of the disclosure may have been disclosed with respect to only one of several implementations, such feature or aspect may be combined with one or more other features or aspects of the other implementations as may be desired and advantageous for any given or particular application. Furthermore, to the extent that the terms "include" , "have" , "with" , or other variants thereof are used in either the detailed description or the claims, such terms are intended to be inclusive in a manner similar to the term "comprise" . Also, the terms "exemplary" , "for example" and "e.g. " are merely meant as an example, rather than the best or optimal. The terms “coupled” and “connected” , along with derivatives may have been used. It should be understood that these terms may have been used to indicate that two elements cooperate or interact with each other regardless whether they are in direct physical or electrical contact, or they are not in direct contact with each other.

[0119] Although specific aspects have been illustrated and described herein, it will be appreciated by those of ordinary skill in the art that a variety of alternate and / or equivalent implementations may be substituted for the specific aspects shown and described without departing from the scope of the disclosure. This application is intended to cover any adaptations or variations of the specific aspects discussed herein.

[0120] Although the elements in the following claims are recited in a particular sequence with corresponding labeling, unless the claim recitations otherwise imply a particular sequence for implementing some or all of those elements, those elements are not necessarily intended to be limited to being implemented in that particular sequence.

[0121] Many alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art in light of the above teachings. Of course, those skilled in the art readily recognize that there are numerous applications of the disclosure beyond those described herein. While the disclosure has been described with reference to one or more particular embodiments, those skilled in the art recognize that many changes may be made thereto without departing from the scope of the disclosure. It is therefore to be understood that within the scope of the appended claims and their equivalents, the disclosure may be practiced otherwise than as specifically described herein.

Claims

1.An embedded power package (100) , comprising:a Printed Circuit Board, PCB (110) , comprising one or more embedded electronic components (111, 112) , the PCB (110) comprising a metallization layer (120) which is configured to electrically connect the one or more embedded electronic components (111, 112) ;wherein the PCB (110) comprises a power section (101) in which one or more power electronic components (111, 112) are embedded and in which a first part (120a) of the metallization layer (120) is arranged; anda metal layer reinforcement (130) enforcing the first part (120a) of the metallization layer (120) , the metal layer reinforcement (130) being configured to increase a current carrying capability and / or a thermal mass of the first part (120a) of the metallization layer (120) for carrying a current of the one or more power electronic components (111, 112) .2.The embedded power package (100) of claim 1,wherein the metal layer reinforcement (130) is arranged upon and is electrically contacting the first part (120a) of the metallization layer (120) or at least parts of the first part (120a) .3.The embedded power package (100) of claim 1 or 2,wherein the metallization layer (120) with the metal layer reinforcement (130) is arranged on a main surface (110a) of the PCB (110) ; orwherein the metallization layer (120) with the metal layer reinforcement (130) is embedded in the PCB (110) .4.The embedded power package (100) of any of the preceding claims,wherein a thickness of the metal layer reinforcement (130) is between about 20μm and 300μm or more.5.The embedded power package (100) of any of the preceding claims,wherein the first part (120a) of the metallization layer (120) enforced with the metal layer reinforcement (130) is configured to carry high currents of up to 400 Amperes and above.6.The embedded power package (100) of any of the preceding claims,wherein the PCB (110) comprises a logic section (102) in which one or more logic electronic components are embedded and in which a second part (120b) of the metallization layer (120) is arranged;wherein a thickness of the metallization layer (130) in both, the power section (101) and the logic section (102) is between about 30μm and 60μm.7.The embedded power package (100) of claim 6, comprising:at least one passive electronic component (140) attached on the second part (120b) of the metallization layer (120) , the at least one passive electronic component (140) forming at least part of a driver circuitry.8.The embedded power package (100) of any of the preceding claims,wherein the metal layer reinforcement (130) comprises one or a combination of the following:a porous layer,a solid layer.9.The embedded power package (100) of any of the preceding claims,wherein the metal layer reinforcement (130) comprises one or a combination of the following:a plasma dust coating layer,a 3D metal printing layer,a cured conductive material or metal adhesive paste or ink layer,a solidified sinter or solder paste layer,a soldered, transient liquid soldered, sintered or welded Cu layer,a soldered or sintered ceramic layer,a soldered or sintered Insulated Metal Substrate, IMS, layer.10.The embedded power package (100) of claim 9,wherein the plasma dust coating layer comprises solidified metal particles which are fused with the first part (120a) of the metallization layer (120) .11.The embedded power package (100) of claim 9 or 10,wherein the 3D metal printing layer comprises metal powder or metal particles coating the first part (120a) of the metallization layer (120) .12.The embedded power package (100) of any of claims 9 to 11,wherein the conductive material or metal adhesive paste or ink is made of one or a combination of the following:silver or nickel particles in a polymer matrix,alloy or coated metal particles in a polymer matrix,conductive nanoparticles,low temperature sinter paste,metal paste,TLPS or solder paste.13.The embedded power package (100) of any of claims 9 to 12,wherein the welded Cu layer comprises a preform made of a Cu spacer or a Cu foil, the preform being connected to the first part (120a) of the metallization layer (120) by printed solder or sinter paste or by ultrasonic welding, thermosonic welding or laser welding.14.The embedded power package (100) of any of claims 9 to 13,wherein the ceramic or IMS layer comprises a preform made of an IMS or ceramic substrate, the preform being connected to the first part (120a) of the metallization layer (120) by printed solder or sinter paste.15.The embedded power package (100) of any of the preceding claims,wherein the one or more power electronic components (111, 112) comprise one or more power devices, power management ICs, PMICs, and power MOSFETs which are based on Si, SiC, GaN or other wide bandgap semiconductor technology.

Images