CN106663678A - 功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种可靠性高的功率模块。本发明所涉及的功率模块包括电路主体，以及收纳所述电路主体的外壳，所述外壳具有包含第1基板而构成第1外壳构件，以及包含第2基板而构成的第2外壳构件，所述第1外壳构件具有沿着所述第1基板和所述第2基板的排列方向而形成的第1侧壁部，所述第2外壳构件具有沿着所述排列方向而形成的、并与所述第1侧壁部连接的第2侧壁部，所述第1侧壁部和所述第2侧壁部以所述排列方向上的该第1侧壁部和该第2侧壁部的长度之和小于所述电路主体的厚度的方式形成，所述第1外壳构件具有相比于所述第1基板以及所述第2基板刚度较小的变形部。

Description

功率模块
技术领域
本发明涉及功率模块，特别涉及在控制车辆驱动用马达的电力转换装置中使用的功率模块。
背景技术
已知有具备将功率半导体模块收纳于具有散热部的金属外壳内的功率模块的电力转换装置。这样的电力转换装置例如搭载于电动汽车、混合动力汽车等电动车辆。
功率半导体模块将功率半导体元件的表面和背面两面软钎焊在导电板上，并在露出电极端子的状态下由树脂密封。金属外壳在两面具有通过热传导性的绝缘粘接剂而粘接在各个导电板的散热部。在各散热部形成有散热用的多个翅片。金属外壳具有在一侧端部侧开口的具有凸缘部的有底罐型形状，功率半导体模块将功率半导体元件的电极端子以插通在所述金属外壳的开口的状态收纳于金属外壳内。
该金属外壳为两块形成有框架和多个翅片的翅片板接合而成的结构。在框架上面对于将功率半导体元件树脂密封的电路主体的表面背面形成有开口，在该开口内，配置并接合有具备多个翅片的一对翅片板(例如，参照专利文献1)。
在这样的功率半导体装置中，需要将在导通动作时由功率半导体元件产生的热经由散热构件向外部放出。因此，在负载热循环的使用环境下，若在所述绝缘粘接剂产生张应力，则具有在连接界面发生剥离的忧虑，因此公开有使压应力残留于所述绝缘粘结剂的技术(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2013-51363公报
专利文献2:日本特开2011-233606号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，专利文献2所记载的功率半导体模块要使压应力残留于电路主体，该电路主体将功率半导体元件的表面背面的两面软钎焊在导电板上，且在露出电极端子的状态下被树脂密封，则金属外壳的翅片板间的距离要形成为小于所述电路主体的厚度。将电路主体***金属外壳时，需要将外壳扩展到电路主体进入的大小，在该工序中，存在着翅片基部的推压力发生变化(降低)的可能性，因此，稳定地产生所期望的压应力是困难的。
在此，本发明的目的在于，提供一种在绝缘层稳定地残留所期望的压应力、抑制散热部从功率半导体模块分开、可靠性高的功率模块。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明所涉及的功率模块包括：电路主体，其具有功率半导体元件；以及外壳，其收纳所述电路主体，所述外壳具有：第1外壳构件，其包含与所述电路主体的一侧表面相对的第1基板而构成；以及第2外壳构件，其包含与所述电路主体的一侧表面的相反一侧的另一侧表面相对的第2基板而构成，所述第1外壳构件具有沿着所述第1基板和所述第2基板的排列方向而形成的第1侧壁部，所述第2外壳构件具有沿着所述排列方向而形成的、并且与所述第1侧壁部连接的第2侧壁部，所述第1侧壁部和所述第2侧壁部以在所述排列方向上的该第1侧壁部和该第2侧壁部的长度之和小于所述电路主体的厚度的方式而形成，所述第1外壳构件具有相比于所述第1基板以及所述第2基板刚性较小的变形部。
发明的效果
使能够抑制与功率半导体单元脱离的散热性提高，能够使可靠性提高。
附图说明
图1为本发明的电力转换装置的一实施方式的外观立体图。
图2为图1所图示的电力转换装置的分解立体图。
图3为图2所图示的功率模块的外观俯视图。
图4为图2所图示的功率模块的外观侧视图。
图5为图3所图示的功率模块的A-A′线纵截面图。
图6为图3所图示的功率模块的B-B′线横截面图。
图7为图6所图示的功率模块的截面分解图。
图8为表示图6所图示的功率模块的制造工序的一部分的图。
图9为表示图6所图示的功率模块的制造工序的一部分的图。
图10为表示图6所图示的功率模块的制造工序的一部分的图。
图11为表示本发明的实施方式2的功率模块截面图。
图12为表示本发明的实施方式3的功率模块截面图。
图13为从表面侧观察功率模块内所收容的功率半导体模块的外观立体图。
图14为从背面侧观察功率模块内所收容的功率半导体模块的外观立体图。
图15为图14所图示的功率半导体模块的去除密封树脂后的状态的立体图。
图16为在图16所图示的功率半导体模块中，将电极端子和功率半导体元件引线键合之前的立体图。
图17为图17所图示的功率半导体单元的IX-IX线截面图。
图18为作为内置于本发明的功率半导体模块的一实施方式的电路图。
具体实施方式
(实施方式1)
[电力转换装置]
以下，参照附图，说明本发明所涉及的电力转换装置的一实施方式。
图1为作为本发明的电力转换装置的一实施方式的外观立体图，图2为图1所图示的电力转换装置的分解立体图。
电力转换装置200用作电动汽车、混合动力汽车的电源装置。虽然未图示，但是电力转换装置200内置有连接于电动发电机的逆变电路，另外，具备连接于外部的电池的升压电路以及控制整体的控制电路。
电力转换装置200具有由铝、铝合金等铝系金属形成的框体主体201以及由紧固构件(未图示)紧固于框体主体201上的底盖202。框体主体201和底盖202也能够通过一体成型而形成。未图示的上盖通过紧固构件紧固于框体主体201的上部，形成密闭状的容器。
在框体主体201的内部，形成有为了形成冷却流路的周壁211，通过周壁211和底盖202形成有冷却用室210。
在冷却用室210内，收纳有具备多个(在图2中为四个)侧壁221的支承构件220以及配置在各侧壁221间的多个(在图2中为三个)功率模块100。功率模块100的详细内容在后文叙述。
在框体主体201的一侧部，设有一对贯通孔，在贯通孔的一方，设有入口用配管203a，在贯通孔的另一方，设有出口用配管203b。冷却水等冷却介质从入口用配管203a流入冷却用室210内，在支承构件220的侧壁221和各功率模块100之间的冷却流路流通并从出口用配管203b流出。从出口用配管203b流出的冷却介质由未图示的散热器等冷却装置冷却，再次从入口用配管203a流入冷却用室210内，如此进行循环。
冷却用室210隔着密封构件231由盖构件240密封。盖构件240被收纳于各功率模块100内，具有供功率半导体模块所内置的功率半导体元件的直流正极端子35a穿插的开口部241。盖构件240的周缘部通过未图示的紧固构件被固定于形成冷却用室210的周壁211的上部。
在框体主体201的冷却用室210的外侧区域收纳有多个电容模块250，电容模块250具有用于将供给至逆变器电路的直流电力平滑化的电容元件251。
在电容模块250和功率模块100的上部，配置有直流侧母线总成261。直流侧母线总成261在电容模块250与功率模块100之间传输直流电力。
在直流侧母线总成261以及盖构件240的上方，配置有包含控制逆变器电路的驱动电路部的控制电路基板总成262。
交流侧母线总成263与功率模块100连接，传输交流电力。另外，交流侧母线总成263具有电流传感器。
[功率模块100]
参照图3至图10以及图14至图18，对功率模块100进行说明。
图3为作为本发明的功率模块100的一实施方式的外观俯视图。图4为作为本发明的功率模块100的一实施方式的外观侧视图。图5为图3所图示的功率模块100的A-A′线纵截面图。另外，图6为图3所图示是功率模块100的B-B′线横截面图。图7为图6所图示的功率模块100的截面分解图。进而，图8～图10为分别表示图6所图示的功率模块100的制造工序的一部分的图。
进而，图13为从表面侧观察功率模块100内所收纳的功率半导体单元的外观立体图。图14为从背面侧观察功率半导体单元的外观立体图。另外，图15为图13所图示的功率半导体单元的去除密封树脂后的状态的立体图。图16为在图15所图示的功率半导体单元中，将电极端子和功率半导体元件引线键合前的立体图。进而，图17为图16所图示的功率半导体单元10A的IX-IX线截面图。此外，在图17中，也附加了与功率半导体单元10A相对应的功率半导体单元10B的构件的符号。
如图5以及图6所示，功率模块100在作为CAN冷却器的金属外壳40内收纳包含开关元件且被传递模塑的功率半导体模块30。在此，所谓CAN型冷却器为，在一面具有插通口17，在另一面具有底部的扁平状的筒型形状的冷却器。金属外壳40由具有导电性的构件，例如Cu、Cu合金、Cu-C、Cu-CuO等复合材料，或者Al、Al合金、AlSiC、Al-C等复合材料等形成。
另外功率半导体模块30作为将后述的功率半导体元件、导体板模块化的电路主体而发挥作用。
如图3以及图4所示，金属外壳40由具有多个散热翅片42的一对散热构件41构成。一对散热构件41作为形成功率半导体模块30的收纳空间的第1外壳部以及第2外壳部而发挥作用。
在此，各散热构件41在基部41b具有散热翅片42，并且在靠近金属外壳40的开口一侧的边与密封部11一体地形成。此外基部41b也作为夹持功率半导体模块30的基部而发挥功能。
另外，如图5以及图6所示，在未形成各散热构件41的密封部11的边，用于形成金属外壳40侧壁的侧壁部43被一体地形成。
另外，变形部44以包围基部41b的周围的方式形成于散热构件41。另外变形部44连结基部41b与侧壁部43。
该变形部44的特征在于，相比于基部41b刚性较小。例如，如图5以及图6所示，能够做成变形部44的板厚比基部41b的板厚薄的结构。例如，通过在散热构件41的与功率半导体模块30相接的一侧的表面设置凹部44b，能够形成相比于基部41b薄的变形部44。
一对散热构件41在各自的侧壁部43接合。作为接合，能够适用例如FSW(搅拌摩擦焊接)、激光焊接、钎焊等。通过使用这样形状的金属制外壳，即使将功率模块100***水、油、有机物等冷媒流动的流路内，也能够以简单的构成防止冷却介质侵入功率模块100的内部。
在金属外壳40内所收纳的功率半导体模块30与一对基部41b之间，如图5以及图6所图示的那样，夹装有热传导性的绝缘层51。绝缘层51将从功率半导体模块30产生的热导热至散热构件41b，由热传导率高，且绝缘耐压大的材料形成。例如，能够使用氧化铝(矾土)、氮化铝等薄膜、或者含有这些微粉末的绝缘片或粘接剂。虽然在后文叙述，但在功率半导体模块30的表面背面的两面，外露有软钎焊功率半导体元件的导体板33～36(参照图13、图14)，绝缘层51能够导热地结合导体板33～36和散热构件41b。
另外，金属外壳40以及绝缘层51与功率半导体模块30的间隙通过第2密封树脂49，进行填埋。
[功率半导体模块30]
如图16以及图17所图示的那样，在功率半导体模块30的表面侧，交流输出侧的导体板33与直流负极侧的导体板34被配置于同一平面上。
如图13所示，第1密封树脂6在功率半导体模块30的表面侧，露出导体板33的上表面33b和导体板34的上表面34b，并且覆盖导体板33以及34的周围整体。第1密封树脂6的表面，与导体板33的上表面33b以及导体板34的上表面34b成为同一平面。
如图16以及图17所示，在功率半导体模块30的背面侧，直流正极侧的导体板35与交流输出侧的导体板36配置于同一平面上。
如图14所示，第1密封树脂6在功率半导体模块30的背面侧，露出导体板35的上表面35b和导体板36的上表面36b，并覆盖导体板35以及36的周围整体。第1密封树脂6的表面，与导体板35的上表面35b以及导体板36的上表面36b成为同一平面。
导体板33至36由例如铜、铜合金、或者铝、铝合金等形成。
如图17所示，功率半导体元件31U以及二极管32U在一表面侧经由焊料61，在另一表面侧经由焊料62而固着于导体板35以及导体板33之间。同样地，功率半导体元件31L以及二极管32L在一表面侧以及另一表面侧经由焊料61、62，固着于导体板36以及导体板34之间。
图18为表示功率半导体模块30内置的电路一实施方式的电路图，在以下的说明中，也一起参照该电路图。功率半导体元件31U、二极管32U、功率半导体元件31L、二极管32L构成上下臂串联电路121。
如图15所示，在直流正极侧的导体板35形成有直流正极端子35a，在交流输出侧的导体板36形成有交流输出端子36a。另外，在直流正极侧的导体板35键合有功率半导体元件31U以及二极管32U并构成上臂回路，功率半导体元件31U的输入输出部通过导线26U与多个信号端子24U连接。
另外如图15所示，在交流输出侧的导体板36键合有功率半导体元件31L以及二极管32L并构成下臂回路26U，功率半导体元件31L的输入输出部通过导线26L连接多个信号端子24L。
如图15以及图16所示，导体板35、导体板33、直流正极端子35a、信号端子24U、功率半导体元件31U以及二极管32U构成功率半导体单元10A。另外，导体板36、导体板34、交流输出端子36a、信号端子24L、功率半导体元件31L以及二极管32L构成功率半导体单元10B。
如图15所示，在导体板33一体地形成有引脚38。引脚38的顶端连接于导体板36，由此来连接功率半导体单元10A和功率半导体单元10B。另外，功率半导体单元10B具有用于检测导体板36的温度，即，功率半导体元件31L的温度的温度传感器8(参照图15)。
如图13以及14所示，功率半导体模块30具有如下的结构：用第1密封树脂6密封功率半导体单元10A以及功率半导体单元10B，且以直流正极端子35a、信号端子24U、交流输出端子36a、信号端子24L露出的方式利用第2密封树脂15对第1密封树脂6的外周进行密封。
[功率模块100的制作方法]
如图13以及图14所示，将功率半导体单元10A和功率半导体单元10B用第1密封树脂6密封，形成功率半导体模块30。
如图7所示，在功率半导体模块30的表面背面的两面，即，在外露有导体板33的上表面33b以及导体板34的上表面34b的一表面、外露有导体板35的上表面35b以及导体板36的上表面36b的另一表面，形成绝缘层51。绝缘层51的形成能够使用例如贴附绝缘片的方法，或者涂敷绝缘性粘接剂的方法等。
使用图7至图10，说明将上述的功率半导体模块30和绝缘层51收纳于金属外壳40为止的制造工序。
在图7中，示出了用一对散热构件41夹持功率半导体模块30和绝缘层51之前的状态。
表面41a为与绝缘层51接触的一侧的散热构件41的规定表面。表面43b为与另一侧的散热构件41的侧壁部43连接的规定表面。将表面41a与表面43b的距离定义为t1。
同样地，面41c为与绝缘层51接触的另一侧的散热构件41的规定表面。面43c为与一侧的散热构件41的侧壁部43连接的规定表面。将表面41c与表面43c的距离定义为t2。
另外将含有功率半导体模块30和绝缘层51的厚度定义为t3。
一对散热构件41的侧壁部43以距离t1和距离t2的长度之和短于包含功率半导体模块30和绝缘层51的厚度t3的方式形成。由此，能够在功率半导体模块30和绝缘层51通过散热构件41使压应力残留。另外，通过在侧壁部43和基部41b之间设置刚性小于基部41b的刚性的变形部44，能够由变形部44的变形吸收功率半导体模块30的加工尺寸偏差。
如图8所示，例如以从外方压紧功率半导体模块30的方式，通过例如推压夹具45对一对散热构件41的基部41b进行加压P1。通过该加压，功率半导体模块30与表面背面的基部41b隔着绝缘层51而粘接。加压可以一次粘接一对基部41b，也可以一次粘接一个基部41b。
随后，如图9所示，从一对散热构件41的侧壁部43的外方，通过第2推压夹具46进行加压P2，而形成变形部44，以使得一对散热构件41的侧壁部43各自连接的表面43b彼此接触。
随后，如图10所示，在一对散热构件41的各自侧壁部43的连接部43e进行接合。作为接合，能够适用例如FSW(搅拌摩擦焊接)、激光焊接、钎焊等。在图10中，作为例子，示出了正按住FSW(搅拌摩擦焊接)的工具47进行焊接的状态。
通过以上的制造工序，形成了图3至图6所示的功率模块100。
如图6所示，在这样形成的功率模块100中，相比于侧壁部43的上表面43d与另一边的侧壁部43的上表面43d间的距离t4，基部41b的形成有翅片的表面与另一边的基部41b的形成有翅片的表面的距离t5的一方较大。
另外，一对散热构件41的各自的变形部44的基部41b侧的根部间的距离t7大于各自的变形部44的侧壁部43侧的根部间的距离t6。
如图9所示，在用第2推压夹具46从外方推压侧壁部43而使变形部44变形时，一边用推压夹具45推压基部41b，一边例如使其塑性变形，由此能够防止基部41b由于弯曲变形而浮起。
另外如图6所示，通过使变形部44连接于偏离基部41b的厚度方向的中心的位置，基部41b的弯曲刚性(截面惯性矩)增加，因此能够取得减少弯曲变形量，且抑制基部41b的中央部附近浮起的效果。
特别地，通过使变形部44远离基部41b的厚度方向的翅片侧，即远离功率半导体模块30，即使在由于温度循环等温度变化导致第2密封树脂49发生膨胀，且散热构件41受到向外的力这样的情况下，也能够降低在基部41b与绝缘层51的连接面发生的张应力，因此，能够取得抑制在绝缘层51与导体板33、导体板34的界面发生脱离的效果。
根据以上的结果，能够在功率模块的绝缘片稳定地残留压应力，能够防止绝缘片的脱离，能够实现可靠性高的功率模块。
(实施方式2)
图11表示图6所示的功率模块的变形例，与图6的符号相同符号表示相同构成部件，省略了再次的详细说明。
在图11所示的变形例中，形成金属外壳40的散热构件41b的变形部44被设于基部41b的厚度方向的中央附近。
由此，由于减少了翅片基部的弯曲刚性(截面惯性矩)，使用功率模块时，即使在由于功率半导体芯片的发热等，在基部41b产生弯曲变形的情况下或在向外方向发生了变形的情况下，也能够取得抑制在变形部44发生张应力的效果，能够取得抑制变形部44疲劳断裂的效果。
(实施方式3)
图12表示图6所示的电力转换装置的功率模块的另一变形例，与图6的符号相同符号表示相同构成部件，省略了再次的详细说明。
在图12所示的变形例中，在形成金属外壳40的散热构件41中，在侧壁部43设有突出部48。突出部48以朝离开金属外壳40的方向突出的方式形成，能够取得在接合一对散热构件41的侧壁部43时，容易地用第2推压夹具46进行加压的效果。另外，在由FSW进行接合的情况下，也能够取得如下的效果：确保连接部的刚性，容易连接，并且抑制在工具顶端产生的热被传导至绝缘层51与功率半导体模块30的连接界面。
在上述的实施方式中，示例了在将绝缘层51形成于功率半导体模块30之后，由散热构件41b夹持的制造工序。但是，没有必要将绝缘层51形成于功率半导体模块30侧，也可以预先设于散热构件41侧。
在上述的实施方式中，将散热构件41的散热翅片42的形状形成为针翅状，但是也可以为其他形状，例如平直翅片或波纹翅片。
另外，在上述的实施方式中，以电动汽车、混合动力汽车所搭载的车载用电力转换装置为例子进行了说明，但是只要是将功率模块浸入冷却介质中的冷却结构的电力转换装置，都能够同样地适用本发明。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，在本发明主旨的范围内，能够进行种种变形地应用。
符号说明
6…第1密封树脂、8…温度传感器、10A…功率半导体单元、10B…功率半导体单元、11…密封部、17…插通口、30…功率半导体模块、31U…功率半导体元件、31L…功率半导体元件、32U…二极管、32L…二极管、33…导体板、33b…上表面、34…导体板、34b…上表面、35…导体板、35a…直流正极端子、35b…上表面、36…导体板、36a…交流输出端子、36b…上表面、38…引脚、24L…信号端子、24U…信号端子、26L…导线、26U…导线、40…金属外壳、41…散热构件、41a…表面、41b…基部、41c…表面、42…散热翅片、43…侧壁部、43b…表面、43c…表面、43d…上表面、43e…连接部、44…变形部、44b…凹部、45…推压夹具、46…第2推压夹具、47…工具、48…突出部、49…第2密封树脂、51…绝缘层、61…焊料、62…焊料、100…功率模块、121…上下臂串联电路、200…电力转换装置、201…框体主体、202…底盖、203a…入口用配管、203b…出口用配管、210…冷却用室、211…周壁、221…侧壁、220…支承构件、231…密封构件、240…盖构件、250…电容模块、251…电容元件、261…直流侧母线总成、262…控制电路基板总成、263…交流侧母线总成、t1…距离、t2…距离、t3…厚度、t4…距离、t5…距离、t6…距离、t7…距离、P1…加压、P2…加压。

Claims (7)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
电路主体，其具有功率半导体元件；以及
外壳，其收纳所述电路主体，
所述外壳具有：第1外壳构件，其包含与所述电路主体的一侧表面相对的第1基板而构成；以及第2外壳构件，其包含与所述电路主体的一侧表面的相反一侧的另一侧表面相对的第2基板而构成，
所述第1外壳构件具有沿着所述第1基板和所述第2基板的排列方向而形成的第1侧壁部，
所述第2外壳构件具有沿着所述排列方向而形成的、且与所述第1侧壁部连接的第2侧壁部，
所述第1侧壁部和所述第2侧壁部以在所述排列方向上的该第1侧壁部和该第2侧壁部的长度之和小于所述电路主体的厚度的方式形成，
所述第1外壳构件具有相比于所述第1基板以及所述第2基板刚度较小的变形部。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，
所述变形部的厚度小于所述第1基部的厚度。
3.如权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，
所述变形部连接于所述第1基板的离开厚度方向的中心的位置。
4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，
所述第1基板在配置有所述电路主体的一侧的表面形成有翅片，
所述变形部与所述第1基板的连接位置为靠近形成有所述翅片的该第1基板的表面一侧。
5.如权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，
所述变形部连接于所述第1基板的厚度方向的中心位置。
6.如权利要求1至5中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述第1侧壁部和所述第2侧壁部以所述第1基部和所述第2基部的表面间的距离大于该第1侧壁部和该第2侧壁部的长度之和的方式而形成。
7.如权利要求1至6中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述第1侧壁部具有向离开所述电路主体的方向突出的第1突出部，
所述第2侧壁部具有向离开所述电路主体的方向突出、且与所述第1突出部接触的第2突出部，
所述第1突出部与所述第2突出部接合。
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