Package device baseplate including platform section

Abstract

Disclosed are approaches for reducing curvature and stress of baseplate of a package device. In some embodiments, a device may include a substrate including a base section connected with a platform section, wherein the platform section extends from a first main side of the base section. The device may further include a direct-copper-bonded (DCB) substrate coupled to the substrate, wherein the DCB substrate comprises a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the platform section of the substrate.

Description

PACKAGE DEVICE BASEPLATE INCLUDING PLATFORM SECTION

[0001] Field of the Disclosure

[0002] The present disclosure is generally related to the field of circuit protection devices. More particularly, embodiments of the present disclosure relate to package devices including a baseplate with a platform section to reduce stress and deformation of the package device.

[0003] Background of the Disclosure

[0004] Baseplates are commonly used in power modules to assist in the thermal management of the module. For example, baseplates help to accelerate the heat dissipation from the die / chip to the outer side of the package and to support the mounting of the module onto the application board.

[0005] Existing baseplates are typically a single layer, cuboid metal plate with a thickness of 1-5mm, depending on the thermal application needed. The length and width of the cuboid varies from product to product. During use, the baseplate is subjected to heat, which causes curvature and then deformation of the baseplate. This curvature / deformation increases the overall package stress, which often leads to reliability failures.

[0006] There is a need, therefore, for an improved baseplate design having reduced deformation.

[0007] Summary of the Disclosure

[0008] The Summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form, the concepts further described below in the Detailed Description. The Summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is the Summary intended as an aid in determining the scope of the claimed subject matter.

[0009] In one approach, a device may include a substrate including a base section connected with a platform section, wherein the platform section extends from a first main side of the base section. The device may further include a direct-copper-bonded (DCB) substrate coupled to the substrate, wherein the DCB substrate comprises a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the platform section of the substrate.

[0010] In another approach, a power transistor device may include a substrate having a base section integrally formed with a platform section, wherein the platform section extends away from a first main side of the base section, and a direct-copper-bonded (DCB) substrate coupled to the substrate. The DCB substrate may include an insulative substrate layer sandwiched between a first conductive layer and a second conductive layer, wherein the first conductive layer is coupled to the platform section of the substrate by a solder.

[0011] In yet another approach, a method of forming a power transistor device may include forming a substrate comprising a base section and a platform section extending from a first main side of the base section, and coupling a direct-copper-bonded (DCB) substrate to the substrate, wherein the DCB substrate may include a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the platform section of the substrate.Brief Description of the Drawings

[0012] The accompanying drawings illustrate exemplary approaches of the disclosed embodiments so far devised for the practical application of the principles thereof, and wherein:

[0013] FIG. 1A depicts a top perspective view of an assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0014] FIG. 1B depicts a side view of the assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0015] FIG. 1C depicts an exploded side view of the assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0016] FIG. 2A depicts a top perspective view of an assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0017] FIG. 2B depicts a side view of the assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0018] FIG. 2C depicts an exploded side view of the assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0019] FIG. 3A depicts a top perspective view of an assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0020] FIG. 3B depicts a side view of the assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0021] FIG. 4A depicts a top perspective view of an assembly according to embodiments of the present disclosure;

[0022] FIG. 4B depicts a side view of the assembly according to embodiments of the present disclosure; and

[0023] FIG. 5 is a flowchart of a method for assembling a portion of a power transistor device according to embodiments of the present disclosure.

[0024] The drawings are not necessarily to scale. The drawings are merely representations, not intended to portray specific parameters of the disclosure. The drawings are intended to depict exemplary embodiments of the disclosure, and therefore are not to be considered as limiting in scope. In the drawings, like numbering represents like elements.

[0025] Furthermore, certain elements in some of the figures may be omitted, or illustrated not-to-scale, for illustrative clarity. The cross-sectional views may be in the form of "slices" , or "near-sighted" cross-sectional views, omitting certain background lines otherwise visible in a "true" cross-sectional view, for illustrative clarity. Furthermore, for clarity, some reference numbers may be omitted in certain drawings.Detailed Description

[0026] Assemblies, devices, systems, and methods in accordance with the present disclosure will now be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, where embodiments are shown. The assemblies, devices, systems, and methods may be embodied in many different forms and are not to be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Instead, these embodiments are provided so the disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the disclosure to those skilled in the art.

[0027] As will be described in greater detail herein, embodiments of the present disclosure provide a baseplate design having one or multiple steps of additional metal on top of the typical rectangular cuboid, wherein a direct-copper-bonded (DCB) substrate (alternatively called a DBC substrate) may be secured atop the additional metal. The one or multiple steps of the metal baseplate may be integrally formed as a uniform body, and can be manufactured by stamped, etched, lasered, CNC and / or cutting methods. It will be appreciated that the number of steps and the individual step dimension (s) can vary.

[0028] Advantageously, this baseplate design reduces curvature of the baseplate, e.g., after a heat treatment, and ensures reduced deformation of the baseplate during extreme temperature conditions (e.g., -40℃ to 217℃) . This reduction in curvature and deformation directly reduces the overall package stress, which the baseplate exudes under the extreme conditions, and which usually leads to reliability test failures, e.g., in the temperature cycling test or power cycling test. With the reduction of the final product’s baseplate curvature, embodiments of the disclosure also help to reduce stress during a screw mounting process.

[0029] Turning to FIGs. 1A-1C, a device 100, such as a power semiconductor device module, will be described. As shown, the device 100 may include a substrate 102 having a first main side 104 opposite a second main side 106, a first end 108 opposite a second end 110, and a first side 112 opposite a second side 114. In the embodiment shown, the first and second sides 112, 114 are longer than the first and second ends 108, 110. Although generally rectangular in shape, it will be appreciated that the substrate 102 may have a different shape or configuration in alternative embodiments.

[0030] The substrate 102 may include a base section 120 connected with a first platform section 122, wherein the first platform section 122 extends from the first main side 104 of the base section 120. The substrate 102 may further include a second platform section 124 also extending from the first main side 104 of the base section 120. In some embodiments, the first platform section 122 and the second platform section 124 be separated from one another by a gap 126. Each of the first platform section 122 and the second platform section 124 may have a cuboid or rectangular shape defined in part by a sidewall 130 extending perpendicular to the first main side 104 of the base section 120. The angle of the sidewall 130 relative to a plane defined by an upper surface of the first main side 104 may vary between 45° and 90°. Although shown as being substantially the same as one another, the first platform section 122 and the second platform section 124 may have a different size and / or shape in alternative embodiments.

[0031] The substrate 102, including the base section 120, the first platform section 122, and the second platform section 124, may be made from a same metal or other material with a high mechanical strength (e.g., copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, steel, stainless steel, or other metal and / or metal alloy composition) to prevent or reduce deformation of the device 100. In various embodiments, the substrate 102 may be a unitary or homogenous material body, which can be manufactured by stamping, etching, lasering, CNC or cutting, etc., into the base section 120 and the first and second platform sections 122, 124.

[0032] The device 100 may further include a first DCB substrate 134 and a second DCB substrate 136 coupled to the substrate 102, wherein the first DCB substrate 134 and the second DCB substrate 136 are separated from one another by the gap 126. In alternative embodiments, a DAB (Direct Aluminum Bonded) substrate can be used. As shown, the first DCB substrate 134 may be coupled to an upper surface 138 of the first platform section 122 by a solder 140, while the second DCB substrate 136 may similarly be coupled to an upper surface 142 of the second platform section 124 by a solder 144. In some embodiments, the first DCB substrate 134 and the second DCB substrate 136 may include an insulative substrate layer 146 (e.g., aluminum oxide) sandwiched between a first conductive layer 150 (e.g., copper) and a second conductive layer 152 (e.g., copper) . As shown, the second conductive layer 152 may be secured to the upper surface 138 of the first platform section 122 and to the upper surface 142 of the second platform section 124. Although non-limiting, the insulative substrate layer 146 may extend beyond a perimeter of the first conductive layer 150 and the second conductive layer 152. As a result of the structure of the device 100, lower baseplate curvature / warpage may be present, which lowers the overall package stress, particularly during screw mounting.

[0033] Turning to FIGs. 2A-2C, a device 200, such as a power semiconductor device module, will be described. The device 200 may the same or similar in many respects to the device 100 described above. As such, only certain aspects of the device 200 will hereinafter be described for the sake of brevity. As shown, a substrate 202 may include a base section 220 connected with a first platform section 222 and a second platform section 224, both of which extend from the first main side 204 of the base section 220. As shown, the first platform section 222 and the second platform section 224 be separated from one another by a gap 226.

[0034] The device 200 may further include a first DCB substrate 234 coupled to the first platform section 222 by a solder 240, and a second DCB substrate 236 coupled to the second platform section 224 by a solder 244. In some embodiments, the first DCB substrate 234 and the second DCB substrate 236 may include an insulative substrate layer 246 (e.g., aluminum oxide) sandwiched between a first conductive layer 250 (e.g., copper) and a second conductive layer 252 (e.g., copper) , wherein the second conductive layer 252 may be secured to an upper surface of the first platform section 222 and to an upper surface of the second platform section 224.

[0035] Each of the first platform section 222 and the second platform section 224 may include multiple layers or horizontal sections. For example, the first platform section 222 and the second platform section 224 each has a first level 256 and a second level 258, wherein the first level 256 and the second level 258 define a stepped sidewall 260. As shown, the first level 256 may extend vertically (e.g., in the y-direction) from the first main side 204 of the base section 220 of the substrate 202, and the second level 258 may extend vertically from the first level 256. The first and second DCB substrates 234, 236 may be directly secured to an upper surface 262 of the second level 258. In this embodiment, the first level 256 has a larger footprint (e.g., dimensions in the x-direction and / or the z-direction) , than the second level 258. Although shown as being substantially the same, a thickness (e.g., in the y-direction) of the first level 256 and the second level 258 may be different in alternative embodiments.

[0036] The first level 256 and the second level 258 may each have a cuboid or rectangular shape, wherein the angle of the sidewall of each level relative to a plane defined by an upper surface of the first main side 204 may vary between 45° and 90°. The first level 256, the second level 258, and the base section 220 may be integrally formed from a same material, and can be manufactured by stamping, etching, lasering, CNC or cutting, etc. As a result of the first and second platform sections 222, 224 of the device 200, lower baseplate curvature / warpage may be present, which lowers the overall package stress, particularly during screw mounting.

[0037] Turning to FIGs. 3A-3B, a device 300, such as a power semiconductor device module, will be described. The device 300 may the same or similar in many respects to the devices 100, 200 described above. As such, only certain aspects of the device 300 will hereinafter be described for the sake of brevity. As shown, a substrate 302 may include a base section 320 connected with a platform section 322. The device 300 may further include a DCB substrate 334 coupled to the platform section 322 by a solder. In this embodiment, only a single platform section 322 and a single DCB substrate 334 are present. As shown, the dimensions of the platform section 322 and the DCB substrate 334 may be approximately the same in the x-direction and the z-direction.

[0038] Turning to FIGs. 4A-4C, a device 400 will be described. The device 400 may the same or similar in many respects to the device 200 described above. As such, only certain aspects of the device 400 will hereinafter be described for the sake of brevity. As shown, the substrate 402 may include a base section 420 connected with a first platform section 422 and a second platform section 424, both of which extend from the first main side 404 of the base section 420. As shown, the first platform section 422 and the second platform section 424 be separated from one another by a gap 426.

[0039] The device 400 may further include a first DCB substrate 434 coupled to the first platform section 422, and a second DCB substrate 436 coupled to the second platform section 424. Each of the first platform section 422 and the second platform section 424 may include multiple layers or horizontal sections. For example, the first platform section 422 and the second platform section 424 each has a first level 456 and a second level 458, wherein the first level 456 and the second level 458 define a stepped sidewall 460. As shown, the first level 456 may extend vertically (e.g., in the y-direction) from the first main side 404 of the base section 420 of the substrate 402, and the second level 458 may extend vertically from the first level 456. The first and second DCB substrates 434, 436 may be directly secured to an upper surface of each second level 458. In this embodiment, the second level 458 has a larger footprint (e.g., dimensions in the x-direction and / or the z-direction) , than the first level 456 such that the second level 458 partially overhangs the first level 456. Although shown as being substantially the same, a thickness (e.g., in the y-direction) of the first level 456 and the second level 458 may be different in alternative embodiments.

[0040] The first level 456 and the second level 458 may each have a cuboid or rectangular shape, wherein the angle of the sidewall of each level relative to a plane defined by an upper surface of the first main side 404 may vary between 45° and 90°. The first level 456, the second level 458, and the base section 420 may be integrally formed from a same material, and can be manufactured by stamping, etching, lasering, CNC or cutting, etc. As a result of the first and second platform sections 422, 424 of the device 400, lower baseplate curvature / warpage may be present, which lowers the overall package stress, particularly during screw mounting.

[0041] Turning now to FIG. 5, a flowchart demonstrating a method 500 is shown. At block 501, the method 500 may include forming a substrate comprising a base section and a platform section extending from a first main side of the base section. In some embodiments, forming the substrate further includes forming a second platform section extending from the first main side of the base section, wherein the second platform section is separated from the platform section by a gap.

[0042] In some embodiments, the platform may have a first level and a second level, wherein the first level and the second level define a stepped sidewall of the platform section.

[0043] In some embodiments, the substrate may be manufactured by stamping, etching, lasering, CNC or cutting, etc.

[0044] At block 502, the method 500 may further include coupling a DCB substrate to the substrate, wherein the DCB substrate includes a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the platform section of the substrate.

[0045] In some embodiments, the method 500 may further include coupling a second DCB substrate to the second platform section, wherein the second DCB substrate also includes a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, wherein the first conductive layer is coupled to the second platform section.

[0046] In some embodiments, the method 500 may further include connecting the first conductive layer to the platform section (s) of the substrate using a solder.

[0047] Although not shown, one or more semiconductor devices may be formed atop the DCB substrate (s) . In some non-limiting embodiments, a semiconductor die assembly (e.g., an insulated gate bipolar transistor (IGBT) die and a freewheeling diode die) may be formed over the DCB substrate (s) .

[0048] As used herein, an element or step recited in the singular and proceeded with the word “a” or “an” is understood as not excluding plural elements or steps, unless such exclusion is explicitly recited. Furthermore, references to “one embodiment” of the present disclosure are not intended to be interpreted as excluding the existence of additional embodiments also incorporating the recited features.

[0049] The use of “including, ” “comprising, ” or “having” and variations thereof herein is meant to encompass the items listed thereafter and equivalents thereof as well as additional items. Accordingly, the terms “including, ” “comprising, ” or “having” and variations thereof are open-ended expressions and can be used interchangeably herein.

[0050] The phrases “at least one” , “one or more” , and “and / or” , as used herein, are open-ended expressions and are both conjunctive and disjunctive in operation. For example, expressions “at least one of A, B and C” , “at least one of A, B, or C” , “one or more of A, B, and C” , “one or more of A, B, or C” and “A, B, and / or C” means A alone, B alone, C alone, A and B together, A and C together, B and C together, or A, B and C together.

[0051] All directional references (e.g., proximal, distal, upper, lower, upward, downward, left, right, lateral, longitudinal, front, back, top, bottom, above, below, vertical, horizontal, radial, axial, clockwise, and counterclockwise) are just used for identification purposes to aid the reader's understanding of the present disclosure. The directional references do not create limitations, particularly as to the position, orientation, or use of the disclosure. Connection references (e.g., attached, coupled, connected, and joined) are to be construed broadly and may include intermediate members between a collection of elements and relative movement between elements unless otherwise indicated. As such, connection references do not necessarily infer two elements are directly connected and in fixed relation to each other.

[0052] Furthermore, identification references (e.g., primary, secondary, first, second, third, fourth, etc. ) are not intended to connote importance or priority, and are used to distinguish one feature from another. The drawings are for purposes of illustration, and the dimensions, positions, order and relative sizes reflected in the drawings attached hereto may vary.

[0053] Furthermore, the terms “substantial” or “approximately, ” as well as the terms “approximate” or “approximately, ” can be used interchangeably in some embodiments, and can be described using any relative measures acceptable by one of ordinary skill in the art. For example, these terms can serve as a comparison to a reference parameter, to indicate a deviation capable of providing the intended function. Although non-limiting, the deviation from the reference parameter can be, for example, in an amount of less than 1%, less than 3%, less than 5%, less than 10%, less than 15%, less than 20%, and so on.

[0054] While certain embodiments of the disclosure have been described herein, the disclosure is not limited thereto, as the disclosure is as broad in scope as the art will allow and the specification may be read likewise. Therefore, the above description is not to be construed as limiting. Instead, the above description is merely as exemplifications of particular embodiments. Those skilled in the art will envision other modifications within the scope and spirit of the claims appended hereto.

Claims

1.A device, comprising:a substrate comprising a base section connected with a platform section, wherein the platform section extends from a first main side of the base section; anda direct-copper-bonded (DCB) substrate coupled to the substrate, wherein the DCB substrate comprises a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the platform section of the substrate.2.The device of claim 1, further comprising a solder connecting the first conductive layer to the platform section of the substrate.3.The device of claim 1, wherein the DCB further comprises a second conductive layer coupled to the insulative substrate layer.4.The device of claim 1, further comprising:a second platform section extending from the first main side of the base section, wherein the second platform section is separated from the platform section by a gap; anda second DCB substrate coupled to the second platform section, wherein the second DCB substrate comprises a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the second platform section.5.The device of claim 1, wherein the platform section has a first level and a second level.6.The device of claim 5, wherein the first level and the second level define a stepped sidewall of the platform section.7.The device of claim 5, wherein the platform includes a height, a width, and a depth, and wherein a first width of the first level is greater than a second width of the second level.8.The device of claim 5, wherein the platform includes a height, a width, and a depth, and wherein a first width of the first level is less than a second width of the second level.9.The device of claim 8, wherein the second level partially overhangs the first level.10.The device of claim 1, wherein the base section and the platform section are integrally formed.11.The device of claim 1, wherein the base section and the platform section are a same material.12.A power transistor device, comprising:a substrate comprising a base section integrally formed with a platform section, wherein the platform section extends away from a first main side of the base section;a direct-copper-bonded (DCB) substrate coupled to the substrate, wherein the DCB substrate comprises an insulative substrate layer sandwiched between a first conductive layer and a second conductive layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the platform section of the substrate by a solder.13.The power transistor device of claim 12, further comprising:a second platform section extending from the first main side of the base section, wherein the second platform section is separated from the platform section by a gap; anda second DCB substrate coupled to the second platform section, wherein the second DCB substrate comprises a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the second platform section.14.The power transistor device of claim 12, wherein the platform section has a first level and a second level, and wherein the first level and the second level define a stepped sidewall of the platform section.15.The power transistor device of claim 14, wherein the platform includes a height, a width, and a depth, and wherein a first width of the first level is greater than a second width of the second level.16.The power transistor device of claim 14, wherein the platform includes a height, a width, and a depth, and wherein a first width of the first level is less than a second width of the second level so the second level partially overhangs the first level.17.The power transistor device of claim 12, wherein the base section and the platform section are a same material.18.A method of forming a power transistor device, the method comprising:forming a substrate comprising a base section and a platform section extending from a first main side of the base section;coupling a direct-copper-bonded (DCB) substrate to the substrate, wherein the DCB substrate comprises a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, and wherein the first conductive layer is coupled to the platform section of the substrate.19.The method of claim 18, wherein coupling the DCB substrate to the substrate comprising connecting the first conductive layer to the platform section of the substrate using a solder.20.The method of claim 18, wherein forming the substrate further comprises:forming a second platform section extending from the first main side of the base section, wherein the second platform section is separated from the platform section by a gap; andcoupling a second DCB substrate to the second platform section, wherein the second DCB substrate comprises a first conductive layer coupled to an insulative substrate layer, wherein the first conductive layer is coupled to the second platform section, wherein each of the platform section and the second platform section has a first level and a second level, and wherein the first level and the second level define a stepped sidewall of the platform section.

Images