CN102024803A - 功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式的功率模块具有金属基底、陶瓷基板、半导体芯片、内包螺母的螺母夹、电极端子和外壳。陶瓷基板经由下部电极连接在金属基底上。半导体芯片被配置在陶瓷基板上。电极端子具有从一端朝另一端围住螺母夹的外周、且内部具备螺母夹的折弯部，而且具有从折弯部的所述一端向与折弯部垂直的方向延伸的第1连接部。该第1连接部经由上部电极而被配置在陶瓷基板的第1主面上，且与半导体芯片电连接。外壳以内包所述半导体芯片和所述电极端子的方式与金属基底接合。电极端子的折弯部的上端部经由开口部而在外壳的外部露出。

Description

功率模块
本申请基于2009年9月18日提出的日本专利申请第2009-216417号并主张其优先权，这里引用其全部内容。
技术领域
本发明涉及功率模块(power module)。
背景技术
在功率模块中，通过软钎料将载置有作为功率器件的半导体芯片的电路基板的上部电极与电极端子之间、及电路基板的下部电极与金属基底之间接合在一起，并且在电路基板和外壳之间的空隙部填充有有机硅凝胶等。在IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)模块等功率模块中，考虑到热传导性，电路基板例如采用AlN(氮化铝)等陶瓷基板，金属基底采用热传导系数优良的Cu(铜)等(例如参照日本特开2005-311019号公报)。
在专利文献1等所记载的功率模块中，用软钎料接合的电极端子例如在安装使用上被垂直折弯。在采用专用夹具等折弯时，存在的问题是不能弯成直角而使电极端子的高度尺寸精度不能满足规定的标准。另外，在折弯时，存在的问题是应力作用于软钎料接合部，从而使可靠性降低。
发明内容
本发明涉及一种功率模块，其特征在于，具备：
金属基底；
电极端子，其具有折弯成“コ”型形状的折弯部；
螺母及螺母夹，其被收纳在所述电极端子的折弯部的内侧；
电路基板，其在第1主面上搭载着半导体芯片，所述电极端子的一端与所述半导体芯片电连接，且与所述折弯部分离，通过软钎料接合在所述电极端子的一端上的上部电极设在第1主面上，设在与第1主面对置的第2主面上的下部电极通过软钎料与所述金属基底接合；
外壳，其被设置成下端部与所述金属基底的端部相接，上部与所述电极端子的折弯部的外侧面相接，并与所述电路基板分离，且覆盖所述电路基板。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的功率模块的俯视图。
图2是沿着图1的A-A线的功率模块的剖视图。
图3是沿着图1的B-B线的功率模块的剖视图。
图4是表示本发明的实施例1的比较例的功率模块的剖视图。
图5是表示本发明的实施例1的比较例的功率模块的将电极端子刚折弯后的形状的剖视图。
图6是表示本发明的实施例1的电极端子的高度尺寸公差的偏差的图示。
图7是表示本发明的实施例1的功率模块的制造工序的剖视图。
图8是表示本发明的实施例1的功率模块的制造工序的剖视图。
图9是表示本发明的实施例2的功率模块的剖视图。
图10是表示本发明的实施例2的功率模块的制造工序的剖视图。
图11是表示本发明的实施例2的功率模块的制造工序的剖视图。
具体实施方式
本发明的实施方式的功率模块具有金属基底、陶瓷基板、半导体芯片、内包螺母的螺母夹、电极端子和外壳。陶瓷基板具有第1主面和与其对置的第2主面，且在第2主面经由下部电极连接在金属基底的上表面。半导体芯片被配置在陶瓷基板的第1主面上。电极端子具备从一端朝另一端围住螺母夹的外周、且内部具备螺母夹的折弯部，并具有从折弯部的所述一端向与折弯部垂直的方向延伸的第1连接部。该第1连接部经由上部电极而配置在陶瓷基板的第1主面上，且与半导体芯片电连接。外壳具有带开口部的上板和从该上板的边缘向下方延伸的环状的侧板。在该侧板的与上板相反侧的端部，接合在金属基底的第1主面的外周端部，内部内包所述半导体芯片和所述电极端子。电极端子的折弯部的上端部经由开口部向外壳的外部露出。
以下参照附图对本发明的实施例进行说明。
[实施例1]
首先，参照附图对本发明的实施例1的功率模块进行说明。图1是表示功率模块的俯视图，图2是沿着图1的A-A线的功率模块的剖视图，图3是沿着图1的B-B线的功率模块的剖视图，图4是表示比较例的功率模块的剖视图，图5是表示比较例的功率模块的将电极端子刚折弯后的形状的剖视图。图6是表示电极端子的高度尺寸公差的偏差的图示。在本实施例中，在将具有预先折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部的电极端子连接在电路基板的上部电极上之后，将螺母及螺母夹收纳在电极端子折弯部的内侧。
如图1所示，在功率模块80中，在底部设有散热基板即金属基底1，在上表面设有集电极端子5C、发射极端子5E、信号端子5G等多个电极端子、及螺母11。集电极端子5C、发射极端子5E、信号端子5G从图上部看具有矩形形状。集电极端子5C、发射极端子5E、信号端子5G与半导体芯片电连接。
树脂外壳6覆盖功率模块80。螺母11设有多个，分别配置在集电极端子5C、发射极端子5E及信号端子5G的区域内。
功率模块80是搭载的半导体芯片采用IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)的、作为IPM(Intelligent Power Module：智能功率模块)的IGBT模块。功率模块80例如被用于倒相器领域。此外，IGBT功率模块、功率MOS模块、二极管模块等功率模块适用于电铁应用领域、电动汽车、倒相器领域、感应加热领域等多种领域。
如图2所示，功率模块80在金属基底1的第1主面(表面)上，将具有陶瓷基板20、上部电极21及下部电极22的多个电路基板2载置在金属基底1上。上部电极21被设在陶瓷基板20的第1主面(表面)上。下部电极22被设在陶瓷基板20的与第1主面(表面)相对置的第2主面(背面)上。在电路基板2的第1主面(表面)上载置有IGBT即半导体芯片3。设置有与电路基板2的第1主面(表面)上所设置的半导体芯片3电连接的发射极端子5E。
金属基底1通过软钎料与电路基板2的下部电极22接合。发射极端子5E通过软钎料与电路基板2的上部电极21接合，延伸到树脂外壳6的上表面(第1主面)。在发射极端子5E的上部侧设有折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部31。在电极端子折弯部31的内侧收纳着螺母11和螺母夹9。
同样，未图示的集电极端子5C及信号端子5G也延伸到树脂外壳6的上表面(第1主面)。在集电极端子5C及信号端子5G的上部侧，设有折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部31。在该电极端子折弯部31的内侧，收纳螺母11和螺母夹9。
半导体芯片3经由压焊丝4而与发射极端子5E、集电极端子5C及信号端子5G等电连接。发射极端子5E、集电极端子5C及信号端子5G各自通过软钎料接合在电路基板2上。
这里，软钎料可使用无铅软钎料。压焊丝4例如可使用直径比较大、且比金(Au)廉价的Al(铝)。用于电路基板2的陶瓷基板20例如可采用热传导系数优良的AlN(氮化铝)，但也可以取而代之而使用Al2O3(氧化铝)、Si3N4(氮化硅)、SiC(碳化硅)等。AlN(氮化铝)的热传导系数的值比其它陶瓷基板大，为170～200W/mk。上部电极21及下部电极22例如使用Cu(铜)，但也可以取而代之而使用Ni(镍)。
关于树脂外壳6，其下端部与金属基底1的端部相接，上部与电极端子折弯部31的外端部相接。关于有机硅凝胶7，其端部与树脂外壳6的端部相接，并以覆盖金属基底1的上表面(第1主面)和电路基板2的侧面及上表面(第1主面)的方式进行设置。在树脂外壳6与有机硅凝胶7之间设有空隙部8，例如填充有空气。
如图3所示，在功率模块80中，发射极端子5E、集电极端子5C及信号端子5G的上端部露出。
这里，发射极端子5E、集电极端子5C及信号端子5G例如可使用热传导系数优良的Cu(铜)。金属基底1例如使用通过压力加工等形成的、热传导系数优良的Cu(铜)，也可以取而代之而使用铜合金、Al(铝)、Ni(镍)、AlSiC(碳化铝硅)、或Mo(钼)等。Cu(铜)的热传导系数的值比其它金属大，为393W/mk。
外壳6例如使用具有难燃性、耐热性的PPS(聚苯硫醚)树脂，但也可以取而代之而使用不饱和聚酯系树脂等。
在本实施例的功率模块80中，由于不对折弯的电极端子的软钎料接合部施加应力，因而能够抑制软钎料接合部的脆弱化的进行。因此，能够抑制TFT(Thermal Fatigue Test：热疲劳试验)试验或TCT试验中的不良情况的发生。
如图4所示，在比较例的功率模块90中，在通过软钎料将发射极端子5Ea接合在上部电极21上后，采用专用夹具等，将发射极端子5Ea与树脂外壳6的上表面平行地折弯成直角。在比较例的功率模块90中，没有设置本实施例的电极端子折弯部31。
在发射极端子5Ea的折弯时，如图5所示，端子折弯角度R没有达到直角，例如在90°～92°的范围波动。其结果是，折弯周围的端子高度H1、折弯顶端的端子高度H2的关系可表示为：
H1＜H2    式(1)
从而电极端子的高度尺寸公差发生偏差。
如图6所示，在比较例的功率模块90中，电极端子的高度尺寸发生偏差，平均值为38.95mm，标准偏差为0.32，不能满足规格要求(例如用户要求规格为38±0.5mm)。
另一方面，在本实施例的功率模块80中，由于在软钎料接合后不折弯电极端子，因而平均值为37.8mm，标准偏差为0.11，能够满足规格要求(例如用户要求规格为38±0.5mm)。
接着，参照图7及图8对功率模块的制造方法进行说明。图7及图8是表示功率模块的制造工序的剖视图。
如图7所示，首先，通过未图示的软钎料将电路基板2载置在金属基底1上，将半导体芯片3安装在电路基板2上。用压焊丝4将电路基板2的上部电极21与半导体芯片3之间电连接。通过软钎料将具有折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部31的发射极端子5E载置在电路基板2的上部电极21上。这里，对于具有电极端子折弯部31的发射极端子5E，预先测定电极端子的高度尺寸，检查是否满足规格要求。未满足规格要求的则不使用。
在载置了发射极端子5E后，进行软钎料回流处理，从而将电路基板2钎焊在金属基底1上，将发射极端子5E钎焊在电路基板2的上部电极21上。
接着，如图8所示，在将螺母11***螺母夹9中后，从发射极端子5E的电极端子折弯部31的侧面，***螺母及螺母夹9，将螺母及螺母夹9收纳在电极端子折弯部31的内部。
接着，通过未图示的硅树脂将树脂外壳6粘接在金属基底1上。将有机硅凝胶7注入到电路基板2的侧面及上表面，在有机硅凝胶7上形成空隙部8。安装未图示的盖，用未图示的浇注剂固定金属基底1及电路基板2和树脂外壳6。通过用浇注剂进行固定，可防止振动。
如上所述，在本实施例的功率模块中，在金属基底1的表面上载置多个电路基板2。在电路基板2的表面上载置IGBT即半导体芯片3。设置分别与设在电路基板2的表面上的半导体芯片3电连接的发射极端子5E、集电极端子5C及信号端子5G。发射极端子5E、集电极端子5C及信号端子5G在上部侧具有折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部31。发射极端子5E、集电极端子5C及信号端子5G通过软钎料分别与电路基板2的上部电极21接合，并延伸到树脂外壳6的上表面。在电极端子折弯部31的内侧收纳着螺母11和螺母夹9。
因此，能够改善电极端子的平坦度，能够改善高度尺寸精度。另外，能够降低螺栓紧固时的钎焊部的拉伸应力，从而能够提高钎焊部的可靠性。
此外，在本实施例中，搭载在功率模块上的半导体芯片采用IGBT，但也可以取而代之而采用功率MOSFET、GTO或SIT等。另外，也可以采用器件种类不同的半导体芯片，例如IGBT和功率MOS晶体管。另外，也可以取代无铅软钎料而使用Pb-Sn共晶软钎料。
[实施例2]
接着，参照附图对本发明的实施例2的功率模块进行说明。图9是表示功率模块的剖视图。在本实施例中，对电极端子的形状进行了变更。
以下，对于与实施例1相同的构成部分，附加相同的符号，并省略该部分的说明，只说明不同的部分。
如图9所示，在功率模块81中形成发射极端子5EE，其中发射极端子5EE设有折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部31，电极端子折弯部31的顶端的一端及另一端(第1连接部及第2连接部)设置在与电极端子折弯部31垂直的方向上。
发射极端子5EE在两处(一端及另一端或第1连接部及第2连接部)通过软钎料与电路基板2的上部电极21接合，并延伸到树脂外壳6的上表面(第1主面)。在电极端子折弯部31的内侧收纳着螺母11和螺母夹9。
同样，未图示的集电极端子及信号端子也延伸到树脂外壳6的上表面(第1主面)。集电极端子及信号端子的上部侧设有折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部31，在其电极端子折弯部31的内侧收纳着螺母11和螺母夹9。
接着，参照图10及图11对功率模块的制造方法进行说明。图10及图11是表示功率模块的制造工序的剖视图。
如图10所示，通过软钎料将具有折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部31的发射极端子5EE载置在电路基板2的上部电极21上。这里，对于具有电极端子折弯部31的发射极端子5EE，预先测定了电极端子的高度尺寸，检查了是否满足规格要求。未满足规格要求的则不使用。
在将发射极端子5EE载置后，进行软钎料回流处理，将电路基板2钎焊在金属基底1上，将发射极端子5EE钎焊在电路基板2的上部电极21上。
接着，如图11所示，在将螺母11***螺母夹9中后，从发射极端子5EE的电极端子折弯部31的侧面，***螺母11及螺母夹9，将螺母11及螺母夹9收纳在电极端子折弯部31的内部。此外，由于其后的工序与实施例1相同，因此省略说明。
如上所述，在本实施例的功率模块中，在金属基底1的表面上载置多个电路基板2。在电路基板2的表面上载置IGBT即半导体芯片3。设置各自与设在电路基板2的表面上的半导体芯片3电连接的发射极端子5EE。发射极端子5EE在上部侧设有折弯成“コ”型形状的电极端子折弯部31，电极端子折弯部31的顶端的一端及另一端设置在与电极端子折弯部31垂直的方向上。发射极端子5EEG通过软钎料与电路基板2的上部电极21接合，延伸到树脂外壳6的上表面。在电极端子折弯部31的内侧收纳着螺母11和螺母夹9。
因此，能够改善电极端子的平坦度，能够改善高度尺寸精度。另外，能够降低螺栓紧固时的钎焊部的拉伸应力，从而能够提高钎焊部的可靠性。再者，由于电极端子和上部电极的钎焊点增加，因此与实施例1相比能够提高钎焊强度。
本发明并不限定于上述实施例，也可以在不脱离发明宗旨的范围内进行多种变更。
在实施例中，在有机硅凝胶7与树脂外壳6之间设有空隙部8，但也可以代替空隙部8而填充环氧树脂等树脂。

Claims (20)

1.一种功率模块，其特征在于，具备：
金属基底；
电极端子，其具有折弯成“コ”型形状的折弯部；
螺母及螺母夹，其被收纳在所述电极端子的折弯部的内侧；
电路基板，其在第1主面上搭载着半导体芯片，所述电极端子的一端与所述半导体芯片电连接，且与所述折弯部分离，通过软钎料接合在所述电极端子的一端上的上部电极设在第1主面上，设在与第1主面对置的第2主面上的下部电极通过软钎料与所述金属基底接合；
外壳，其被设置成下端部与所述金属基底的端部相接，上部与所述电极端子的折弯部的外侧面相接，并与所述电路基板分离，且覆盖所述电路基板。
2.一种功率模块，其特征在于，具备：
金属基底；
电极端子，具有折弯成“コ”型形状的折弯部；
螺母及螺母夹，其被收纳在所述电极端子的折弯部的内侧；
电路基板，其具有上部电极、陶瓷基板及下部电极，半导体芯片搭载在第1主面上，与所述折弯部分离的所述电极端子的一端通过软钎料与所述上部电极接合，与所述折弯部分离的所述电极端子的一端与所述半导体芯片电连接，设在与第1主面对置的第2主面上的下部电极通过软钎料与所述金属基底接合；
有机硅凝胶，其被设置为覆盖所述金属基底的第1主面和所述电路基板的第1主面及侧面；
树脂外壳，其被设置成下端部与所述金属基底的端部及所述有机硅凝胶的端部相接，上部与所述电极端子的折弯部的外侧面相接，并覆盖所述有机硅凝胶；
空隙部，其被设置在所述树脂外壳与所述有机硅凝胶之间。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于：所述陶瓷基板含有氮化铝、氧化铝、氮化硅或碳化硅。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的功率模块，其中，所述金属基底含有铜、铝、镍、碳化铝硅或钼。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的功率模块，其中，与所述折弯部分离的所述电极端子的一端及另一端通过软钎料与所述上部电极接合。
6.一种功率模块，其特征在于，具备：
金属基底；
陶瓷基板，其具有第1主面和与所述第1主面对置的第2主面，在所述第2主面经由下部电极连接在所述金属基底的上表面上；
半导体芯片，其被配置在所述陶瓷基板的所述第1主面上；
内包螺母的螺母夹；
电极端子，其具有从一端朝另一端围住所述螺母夹的外周、且内部具备所述螺母夹的折弯部，具有从所述折弯部的所述一端向与所述折弯部垂直的方向延伸的第1连接部，所述第1连接部经由上部电极被配置在所述陶瓷基板的所述第1主面上，且与所述半导体芯片电连接；
外壳，其具有带开口部的上板和从所述上板的边缘向下方延伸的环状的侧板，在所述侧板的与上板相反侧的端部接合在所述金属基底的第1主面的外周端部，内部内包所述半导体芯片和所述电极端子；
其中，所述电极端子的所述折弯部的上端部经由所述开口部在外壳的外部露出。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于：在所述外壳的所述上板的所述开口部中***有所述电极端子的折弯部。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于：所述半导体芯片和所述电极端子通过用压焊丝接合所述上部电极和所述半导体芯片而进行电连接。
9.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于：所述电极端子的所述第1连接部和所述上部电极通过软钎料被接合在一起。
10.根据权利要求9所述的功率模块，其特征在于：具备有机硅凝胶，所述有机硅凝胶覆盖所述金属基底的上表面、所述陶瓷基板的所述第1主面和所述半导体芯片的表面，包括所述电极端子的所述第1连接部在内，与所述外壳的侧板的内侧接合在一起。
11.根据权利要求10所述的功率模块，其特征在于：在所述外壳的所述上板的下表面与所述有机硅凝胶之间存在空隙。
12.根据权利要求11所述的功率模块，其特征在于：所述空隙中填充有环氧树脂。
13.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于：所述金属基底以铜、铜合金、铝、镍、碳化铝硅、钼中的任一种作为材料。
14.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于：所述外壳含有聚苯硫醚或不饱和聚酯系树脂。
15.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于：所述半导体芯片为IGBT、功率MOSFET、GTO或SIT中的任一种。
16.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于：所述功率模块还具备第2连接部，所述第2连接部从所述电极端子的所述折弯部的所述另一端向与所述折弯部垂直的方向延伸，经由所述上部电极配置在所述陶瓷基板的所述第1主面上。
17.根据权利要求16所述的功率模块，其特征在于：所述第1连接部和所述第2连接部以对置的方式进行配置。
18.根据权利要求17所述的功率模块，其特征在于：所述半导体芯片和所述电极端子通过用压焊丝接合所述上部电极和所述半导体芯片而进行电连接。
19.根据权利要求17所述的功率模块，其特征在于：所述电极端子的所述第1连接部及所述第2连接部与所述上部电极通过软钎料而接合在一起。
20.根据权利要求19所述的功率模块，其特征在于：具备有机硅凝胶，所述有机硅凝胶覆盖所述金属基底的上表面、所述陶瓷基板的所述第1主面和所述半导体芯片的表面，包括所述电极端子的所述第1连接部及所述第2连接部在内，与所述外壳的侧板的内侧接合在一起。
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