CN107004660A - 功率半导体模块及冷却器 - Google Patents

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Abstract

功率半导体模块具备层叠基板、与层叠基板的正面接合的半导体元件、与层叠基板的背面接合的基板(14)、冷却壳体(15)、以及被容纳在冷却壳体(15)内的散热器(17)。冷却壳体(15)成为具有底壁(15a)和形成于底壁(15a)的周围的侧壁(15b)，并且，具有与底壁(15a)和侧壁(15b)的任一个连接的冷却液的入口部(15c)和出口部(15d)，侧壁(15b)的一端与基板(14)的背面接合，使得冷却液能够在由基板(14)、底壁(15a)和侧壁(15b)包围成的空间内流通。功率半导体模块在冷却壳体(15)的入口部(15c)和出口部(15d)中的至少一个的附近还具备垫片(20)。

Description

功率半导体模块及冷却器
技术领域
本发明涉及具备用于对半导体元件进行冷却的冷却器的功率半导体模块和该冷却器。
背景技术
为了节能，在以混合动力汽车、电动汽车等为代表的使用马达的机器中采用了电力转换装置。在该电力转换装置中广泛采用了功率半导体模块。为了控制大电流，功率半导体模块具备功率半导体元件。
功率半导体元件在控制大电流时的发热量大。另外，功率半导体模块要求小型化和/或轻量化，存在输出密度上升的趋势。因此，对具备多个功率半导体元件的功率半导体模块而言，功率半导体元件的冷却方法影响电力转换效率。
为了提高功率半导体模块的冷却效率，存在具备液冷式的冷却器并通过该冷却器对功率半导体元件进行冷却的功率半导体模块。该功率半导体模块的冷却器具备：使功率半导体元件产生的热传导的金属基板、与金属基板的背面接合的散热器、以及与金属基板接合且容纳散热器的冷却壳体，该功率半导体模块的冷却器具有能够通过形成在冷却壳体的引入口和排出口，使冷却液在冷却壳体内的空间流通的结构(专利文献1)。金属基板、散热器和冷却壳体钎焊接合(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2006-100293号公报
专利文献2:日本特开2014-179563号公报。
发明内容
技术问题
通过将冷却壳体内的冷却液的压力分布调整为适当的状态，能够提高冷却器的冷却效率。但是，对以往的功率半导体模块而言，在引入口与散热器之间以及散热器与排出口之间，有时冷却液的压力分布混乱，冷却性能降低。例如在箱形的冷却壳体的一边具备引入口和排出口的冷却器的情况下，冷却液的一部分不在散热器之间的流路流动，而是通过散热器与冷却壳体的侧壁之间的间隙直接从引入口流向排出口，结果冷却壳体内的冷却液的压力分布混乱。
由于冷却壳体通过拉深加工而成形，因此如果进行拉深加工为使散热器与冷却壳体的侧壁之间的间隙变小的侧壁的形状，则因加工上的制约使得冷却壳体大型化，另外，由于加工工时增加，因此制造成本增大。
特别是搭载于汽车的功率半导体模块对小型化、薄型化、轻量化的要求强烈，因此冷却壳体大型化并不优选。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种能够使功率半导体模块的冷却器的引入口与散热器之间以及散热器与排出口之间的冷却液的压力分布均匀，并提高冷却效率的功率半导体模块和冷却器。
技术方案
为了达成上述目的，本发明的一个方式为如下的功率半导体模块。
功率半导体模块具备层叠基板、与层叠基板的正面接合的半导体元件、与层叠基板的背面接合的基板、冷却壳体、以及被容纳在冷却壳体内的散热器。冷却壳体成为具有底壁和形成于该底壁的周围的侧壁，并且，具有与底壁和侧壁的任一个连接的冷却液的入口部和出口部，侧壁的一端与基板的背面接合，使得冷却液能够在由基板、底壁和侧壁包围成的空间内流通。功率半导体模块在冷却壳体的入口部和出口部中的至少一个的附近还具备垫片。
本发明的另一方式为如下的冷却器。
冷却器具备基板、冷却壳体、以及被容纳在冷却壳体内的散热器。冷却器成为具有底壁和形成于该底壁的周围的侧壁，并且，具有与底壁和侧壁的任一个连接的冷却液的入口部和出口部，侧壁的一端与基板的背面接合，使得冷却液能够在由基板、底壁和侧壁包围成的空间内流通。冷却器在冷却壳体的入口部和出口部中的至少一个的附近还具备垫片。
技术效果
根据本发明的功率半导体模块，能够使功率半导体模块的冷却器的引入口与散热器之间以及散热器与排出口之间的冷却液的压力分布最优化，提高冷却效率。
附图说明
图1是本发明的功率半导体模块的一个实施方式的分解立体图。
图2是图1的功率半导体模块的电路图。
图3是图1的功率半导体模块1的俯视图。
图4是图3的IV-IV线的剖面图。
图5是冷却器的分解立体图。
图6是冷却器的入口部和出口部附近的俯视图。
图7是垫片的形状的变形例的说明图。
图8是本发明的另一实施方式的冷却器的说明图。
图9是以往的冷却器的分解立体图。
图10是图9的冷却器的俯视图。
图11是图9的冷却器的入口部和出口部附近的部分俯视图。
图12是以往的冷却器的入口部和出口部附近的部分俯视图。
符号说明
1 功率半导体模块
10、21 冷却器
11 绝缘基板
12 半导体芯片(半导体元件)
13 树脂壳体
14 金属基板
15、25 冷却壳体
15a、25a 底壁
15b、25b 侧壁
15c、25c 入口部
15d、25d 出口部
15e、25e 引入口
15f、25f 排出口
17 散热片(散热器)
20、22 垫片
具体实施方式
使用附图对本发明的功率半导体模块的实施方式进行详细说明。参照附图的方向而使用在以下的说明中所表述的“上”、“下”、“底”、“前”、“后”等表示方向的用语。
(实施方式1)
图1是本发明的功率半导体模块的一个实施方式的分解立体图。在图1中示出的功率半导体模块1具备：作为层叠基板的具体例的绝缘基板11、与绝缘基板11的正面接合的半导体芯片12、具有框形且包围绝缘基板11和半导体芯片12的树脂壳体13、与绝缘基板11的背面接合且作为基板的具体例的金属基板14、以及与金属基板14的背面接合的冷却壳体15。
在图示的本实施方式中，三个绝缘基板11在金属基板14的短边方向的中央沿着金属基板14的长边方向配置为一列。对各个绝缘基板11而言，在一个绝缘基板11上搭载有半导体芯片12。图示的本实施方式的半导体芯片12都是将IGBT和FWD1芯片化而成的逆导通型IGBT(RC-IGBT)的示例，在图示的示例中，一个绝缘基板11上配置有四个半导体芯片12。半导体芯片12不限于逆导通型IGBT，也可以将IGBT和FWD分别搭载在一个绝缘基板11上。另外，开关元件不限于IGBT，也可以是MOSFET等。在半导体芯片12的基板中除使用硅以外，还可使用碳化硅、氮化镓和/或金刚石等宽带隙材料。
在图2示出图1的功率半导体模块的电路图。功率半导体模块1为构成逆变电路的6in1型功率半导体模块的示例。金属基板14上的三个绝缘基板11构成了逆变电路的U相、V相和W相。另外，在一个绝缘基板11上，四个半导体芯片12并联电连接成的以两个为一组的共计两组，构成了形成逆变电路的一相中的上臂和下臂。
树脂壳体13由PPS(聚苯硫醚)树脂和/或聚氨酯树脂等绝缘性树脂构成并具有框形，该框形在中央具有从上表面一直贯穿底面的开口。树脂壳体13的底面通过粘合剂与金属基板14的正面接合。外部端子16A～16E的一端沿着树脂壳体13的上表面的周边突出。其中，在树脂壳体13的长边方向边缘部的一侧配置的外部端子16A为U端子，外部端子16B为V端子，外部端子16C为W端子。另外，在树脂壳体13的长边方向边缘部的另一侧配置的外部端子16D为P端子，外部端子16E为N端子。外部端子16A～16E通过嵌件成形等一体地安装在树脂壳体13。外部端子16A～16E的另一端露出到树脂壳体13的框内，通过键合线和/或引线框架(未图示)等导电部件与半导体芯片12的电极等电连接。
在图3中示出图1的功率半导体模块1的俯视图。应予说明，为了易于理解，在该俯视图中，省略对在树脂壳体13的上表面覆盖框内的盖、注入到框内的封装材料和键合线的图示，示出了可观察到树脂壳体13内的绝缘基板11和半导体芯片12的状态。与一个绝缘基板11接合的四个半导体芯片12之中，沿着金属基板14的短边方向并列配置的两个半导体芯片12A构成上臂，两个半导体芯片12B构成下臂。如在后面所说明的那样，在金属基板14的正下方，冷却液沿与金属基板14的短边方向平行的方向流动。通过以与该冷却液的流动方向相符的方式并列配置半导体芯片12A和半导体芯片12B，能够使半导体芯片12A与半导体芯片12B的冷却效率相等。
金属基板14具有长方形的正面和背面，该长方形的正面和背面成为与树脂壳体13大致相同或比树脂壳体13大的尺寸。金属基板14由导热性良好的金属，例如铜、铝或铝合金构成，或者由这些金属与钎料的复合材料(包层材料)构成。作为层叠基板的具体例的绝缘基板11通过接合材料，例如焊锡而与金属基板14的正面接合。或者，也可以利用钎料作为接合材料来进行接合。另外，也可以使导热性油脂存在于金属基板14与绝缘基板11之间来取代接合材料。
冷却壳体15也称为冷却套。冷却壳体15具有底壁15a和形成于该底壁15a周围的侧壁15b，冷却壳体15的上端开口。通过例如钎焊将该上端与金属基板14接合，由此以冷却液***露的方式形成了被金属基板14和冷却壳体15包围成的内部空间。在该内部空间配置有作为散热器的散热片17。冷却半导体芯片12的冷却器10包括金属基板14、冷却壳体15和散热片17。
在图4示出图3的IV-IV线的剖面图。绝缘基板11由陶瓷绝缘板11a、电路板11b和金属板11c贴合而成，其中，电路板11b由选择性地形成在该陶瓷绝缘板11a的正面的铜箔等构成，金属板11c由形成在该陶瓷绝缘板11a的背面的铜箔等构成。电路板11b与半导体芯片12的接合通过例如作为接合材料的焊锡18进行。金属板11c与金属基板14的接合通过例如作为接合材料的焊锡18进行。也可以使用烧结材料来取代焊锡。在树脂壳体13的框内，绝缘基板11和半导体芯片12被由环氧树脂等绝缘性树脂或硅胶等绝缘性凝胶构成的封装材料19封装，提高了绝缘性。应予说明，在图4中，对外部端子省略了图示，另外，对将形成于半导体芯片12的表面的电极与外部端子等进行电连接的键合线等布线部件省略了图示。另外，在图4中，对安装在树脂壳体13的上表面的盖也省略了图示。
在图5中示出冷却器10的分解立体图。在由冷却壳体15的底壁15a和侧壁15b包围成的大致长方体的空间，容纳有作为散热器的散热片17。在图示的本实施方式中，散热片17包括多个薄板，上述多个薄板以沿冷却壳体15的短边方向延伸的方式分别隔开间隔而并列配置。从上方观察，图示的散热片17在金属基板14和冷却壳体15的短边方向上具有波形。散热片17的形状不限于图示的示例，也可以是直线形。散热片17也可以是销状，但优选为上述的波形或直线形的板状散热片17。散热片17与金属基板14同样地包括导热性良好的金属。各个散热片17的上端通过钎焊而与金属基板14的背面接合。由此，从半导体芯片12产生的热经由绝缘基板11和金属基板14传递到散热片17。散热器是作为整体能够容纳在冷却壳体15中的大致长方体形状。
图示的冷却壳体15在短边方向的一边(侧壁)的两端具有冷却液的入口部15c和出口部15d。入口部15c和出口部15d为从冷却壳体15的侧壁沿长边方向突出的凸形。在该入口部15c的底面具有引入口15e，在该出口部15d的底面具有排出口15f。在入口部15c的底面具有引入口15e并且在出口部15d的底面具有排出口15f这一情况，换言之，引入口15e形成在底壁15a并且排出口15f形成在底壁15a这一情况，与在侧壁具有引入口及排出口的情况相比，能够抑制构成冷却器10的冷却壳体15的高度，因此对追求小型化、薄型化、轻量化的用于车载的功率半导体模块来说是优选的。
冷却壳体15与金属基板14和散热片17同样地包括导热性良好的金属。冷却壳体15包括与金属基板14和散热片17同种的材料，由此能够抑制因热膨胀系数之差引起的应力和/或翘曲，所以是优选的。冷却壳体15通过拉深加工而成形。
在冷却壳体15的内侧的入口部15c和出口部15d的附近，更具体地说，在入口部15c和出口部15d附近的侧壁15b与散热片17之间配置有垫片20。
在图6示出冷却器10的入口部15c和出口部15d附近的俯视图。冷却器10中，入口部15c的引入口15e和出口部15d的排出口15f位于比散热片17的短边方向上的端部更靠向短边方向上的中央(内侧)的位置。在俯视时，引入口15e和排出口15f各自的开口与散热器的长边的延长线交差。冷却器10中，沿着冷却壳体15的长边方向的侧壁15b具有将冷却液从入口部15c的引入口15e引向散热片17的第一流路15g，在与第一流路15g相反的一侧且沿着冷却壳体15的长边方向的侧壁15b具有将冷却液引导至出口部15d的排出口15f的第二流路15h，在第一流路15g与第二流路15h之间且在相邻的散热片17之间具有冷却散热片17的第三流路15i。
薄板形状的散热片17以沿冷却壳体15的短边方向延伸的方式配置，因此从入口部15c引入的冷却液通过第一流路15g而在散热片17之间的第三流路15i沿冷却壳体15的短边方向流动，通过第二流路15h从出口部15d的排出口15f排出。
垫片20以从冷却器10的入口部15c直到散热片17的角部为止的方式与散热片17邻接配置，将冷却液引导至第一流路15g。另外，垫片20以从出口部15d直到散热片17的角部的方式配置，将冷却液从第二流路15h引导至出口部15d。垫片20与金属基板14、冷却壳体15和散热片17同样地包括导热性良好的金属。垫片20包括与金属基板14、冷却壳体15和散热片17同种的材料，由此能够抑制因热膨胀系数之差引起的应力和/或翘曲，因此是优选的。垫片20被钎焊到金属基板14和冷却壳体15。
冷却器10在凸状的入口部15c与出口部15d之间具备垫片20，由此在引入口15e与排出口15f之间堵塞间隙，能够防止冷却液直接流动穿过侧壁15b与散热片17的间隙，另外，通过使垫片20的形状最优化，能够使引入口15e与散热片17之间的冷却液的流动以及散热片17与排出口15f之间的冷却液的流动顺畅。因此，通过垫片20，能够容易地适当调整冷却器10内的冷却液的流速分布，提高冷却性能。另外，由于垫片20成为与冷却壳体15的形状对应的形状的设计上的自由度大，因此对冷却壳体15而言，在制作时，无需通过高加工度的拉深加工使冷却壳体15的引入口15e和出口部15d附近的侧壁15b位于散热片17的角部附近。因此，能够使冷却壳体15小型化。另外，拉深加工以低加工度完成，因此能够以拉深加工的金属模具数量少的方式完成，降低制造成本。应予说明，在图示的示例中，入口部15c和出口部15d分别在内侧具备大致半圆筒的侧面，垫片20具备从这些侧面连续到散热器的角部的弧状侧面。垫片20的高度可以设置为散热片17的高度以下。
在图7示出垫片20的变形例。垫片不限于图6和图7的(a)中示出的一体形状的垫片20，也可以是如图7的(b)所示那样的与入口部15c和出口部15d分别对应的、分割的形状的垫片20A。另外，如图7的(c)所示，也可以是从上观察，面对入口部15c和出口部15d的部分为直线形平面的垫片20B。
(实施方式2)
使用图8对本发明的实施方式2的冷却器进行说明。应予说明，对于绝缘基板、半导体芯片、树脂壳体等方面，使用了图8的冷却器的功率半导体模块可以与实施方式1的功率半导体模块相同。
图8的(a)的立体图中示出的冷却器21的冷却壳体25的外形与实施方式1示出的冷却器10的冷却壳体的外形不同。具体来说，冷却壳体25具有底壁25a和形成于该底壁25a周围的侧壁25b，冷却壳体25的上端开口。在被底壁25a和侧壁25b包围成的空间容纳有散热片17。入口部25c和出口部25d形成在冷却壳体25的大致对角线上的角部。在入口部25c的底面具有引入口25e，在出口部25d的底面具有排出口25f。冷却壳体25通过拉深加工而成形。
冷却器21在入口部25c附近的侧壁25b与散热片17之间具备垫片22。另外，在出口部25d附近的侧壁25b与散热片17之间具备垫片22。垫片22与冷却壳体25和散热片17同样地包括导热性良好的金属。垫片22包括与冷却壳体25和散热片17同种的材料，由此能够抑制由热膨胀系数之差引起的应力和/或翘曲，所以是优选的。
在图8的(b)中示出出口部25d附近的俯视图。垫片22具有大致三角形的平面(剖面)形状，并具有与散热片17相同的高度。在入口部25c附近所具备的垫片22也是同样。垫片22以从冷却器21的入口部25c直到散热片17的角部为止的方式与散热片17邻接而配置，将冷却液引导至第一流路25g。另外，垫片22以从出口部25d直到散热片17的角部为止的方式配置，将冷却液从第二流路25h引导至出口部25d。
由于冷却器21具备垫片22，因此在引入口25e与排出口25f之间，利用垫片22来防止冷却液穿过侧壁25b与散热片17的间隙而流动，所以能够防止金属基板14面内的冷却性能显著下降。另外，利用垫片22能够使引入口25e与散热片17之间的冷却液的流动以及散热片17与排出口25f之间的冷却液的流动顺畅地进行。因此利用垫片22能够容易地适当调整冷却器21内的冷却液的流速分布，提高冷却性能。另外，由于具备垫片22，因此在制作冷却壳体25时，无需通过拉深加工的高加工使冷却壳体25的引入口25e和出口部25d附近的侧壁25b位于散热片17的角部附近。因此，能够使冷却壳体25小型化，另外，由于拉深加工以低加工度完成，因此能够以拉深加工的金属模具数少的方式完成，降低制造成本。
如从实施方式1～实施方式2所理解的那样，可以不考虑冷却器的入口部和出口部的位置而具备垫片。应予说明，虽然对于实施方式1～实施方式2中示出的冷却器中的任一个而言，引入口和排出口形成在冷却器的底面，但引入口和排出口的位置不限于冷却器的底面，也可以形成在冷却器的侧面。
另外，冷却器的入口部和出口部的位置不限于实施方式1～实施方式2中示出的情形，例如可以将冷却器设为在冷却壳体的相对置的长边方向上的一边的中央部具有该入口部和该出口部。
(比较例)
作为比较例，使用图9～图12对以往的冷却器进行说明。在图9中以分解立体图所示出的冷却器100具备金属基板14、与金属基板14的背面接合的冷却壳体115、以及作为散热器的散热片17，但不具备垫片。金属基板14和散热片17与之前在实施方式1中所说明的金属基板和散热片一样，因此省略详细的说明。冷却壳体115具备底壁115a和侧壁115b，并具有与实施方式1的冷却壳体15大致相同的形状和结构。
如在图10中以俯视图所示出的那样，冷却壳体115具有入口部115c和出口部115d。在入口部115c具有引入口115e，在出口部115d具有排出口115f。在冷却壳体115，入口部115c与出口部115d之间的侧壁115b成为接近散热片17那样的曲面。如在图11中示出入口部115c和出口部115d附近的部分俯视图那样，入口部115c与出口部115d之间的侧壁115b通过拉深加工而制作，因此为了成为接近散热片17那样的曲面，在制作时需要高加工度的拉深加工。因此，需要拉深加工的金属模具数多，导致了制造成本的增加。
在图12中，示出利用低加工度的拉深加工制作入口部115c与出口部115d之间的侧壁115b而成的冷却器的入口部115c和出口部115d附近的部分俯视图。对图12中示出的冷却器而言，为了通过低加工度的拉深加工制作出入口部115c与出口部115d之间的侧壁115b，散热片17与侧壁115b之间的间隙g大，冷却液穿过该间隙g直接从入口部115c流向出口部115d，冷却器100内的冷却液的压力分布混乱，结果冷却性能降低。
通过图5～图6中示出的实施方式1的冷却器10与图9～图12中示出的以往的冷却器100之间的对比，实施方式1的冷却器10的效果明显。具体来说，由于通过垫片20填埋了散热片17与侧壁15b之间的间隙，因此即使通过低加工度的拉深加工来制作入口部15c与出口部15d之间的侧壁15b，也能够将冷却液的压力分布维持在良好的状态。另外，由于能够通过低加工度的拉深加工制作，因此能够降低制造成本。
以上，使用附图对本发明的功率半导体模块等的实施方式进行了说明，但本发明的功率半导体模块等不限于各实施方式和附图中的记载，当然可以在不脱离本发明的宗旨的范围内进行多种变形。

Claims (12)

1.一种功率半导体模块，其特征在于，具备：
层叠基板；
半导体元件，与所述层叠基板的正面接合；
基板，与所述层叠基板的背面接合；
冷却壳体，具有底壁和形成于所述底壁的周围的侧壁，并且，具有与所述底壁和所述底壁的任一个连接的冷却液的入口部和出口部，所述侧壁的一端与所述基板的背面接合，使得冷却液能够在由所述基板、所述底壁和所述侧壁包围成的空间内流通；以及
散热器，被容纳在所述冷却壳体内，
所述功率半导体模块在所述冷却壳体的所述入口部和所述出口部中的至少一个的附近还具备垫片。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述垫片配置在所述入口部和所述出口部中的至少一个的附近的侧壁与散热器之间。
3.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述垫片以从所述入口部和所述出口部中的至少一个直到所述散热器的角部为止的方式与所述散热器邻接而配置。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述垫片被钎焊到所述基板和所述冷却壳体。
5.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述垫片包括与所述基板和所述冷却壳体相同的材料。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述冷却壳体通过拉深加工而制作。
7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述散热器由波形或直线形的薄板形成。
8.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，在所述入口部的底面具有引入口，在所述出口部的底面具有排出口。
9.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，在所述冷却壳体的短边方向的一边的两端具有所述入口部和所述出口部。
10.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，在所述冷却壳体的大致对角线上的角部具有所述入口部和所述出口部。
11.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，在所述冷却壳体的相对置的长边方向的一边的中央部具有所述入口部和所述出口部。
12.一种冷却器，其特征在于，具备：
基板；
冷却壳体，具有底壁和形成在所述底壁的周围的侧壁，并且，具有与所述底壁和所述侧壁的任一个连接的冷却液的入口部和出口部，所述侧壁的一端与所述基板的背面接合，使得冷却液能够在由所述基板、所述底壁和所述侧壁包围成的空间内流通；以及
散热器，被容纳在所述冷却壳体内，
所述冷却器在所述冷却壳体的所述入口部和所述出口部中的至少一个的附近还具备垫片。
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