CN111725167A - 功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可靠性较高的功率模块。功率模块具备：壳体，具有在外表面露出的外部端子；基板，设于所述壳体内；半导体元件，搭载于所述基板；引线，连接于所述半导体元件；金属板端子，设于所述壳体内，并将所述外部端子连接于所述半导体元件的电极；以及凝胶材料，设于所述壳体内，并覆盖所述金属板端子的一部分、所述基板、所述半导体元件以及所述引线。所述金属板端子具有：第一部分，配置于所述引线与所述壳体的顶板之间且是所述凝胶材料的内部；第二部分，相对于所述第一部分弯曲，并连接于所述半导体元件的所述电极；以及第三部分，从所述第一部分的端部朝向所述基板延伸。

Description

功率模块
技术领域
实施方式涉及功率模块。
背景技术
以往，作为控制电流的功率模块，开发了一种功率模块，其在壳体内固定基板，在该基板搭载电力用半导体元件，使用金属板端子将该电力用半导体元件的电极引出到壳体外部，并在壳体内填充了凝胶材料。在这样的功率模块中，要求对于反复进行通电/切断时产生的热负载具有较高的可靠性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6381784号
发明内容
发明要解决的技术问题
实施方式的目的在于提供一种可靠性较高的功率模块。
用来解决技术问题的手段
实施方式的功率模块具备：壳体，具有在外表面露出的外部端子；基板，设于所述壳体内；半导体元件，搭载于所述基板；引线，连接于所述半导体元件；金属板端子，设于所述壳体内，并将所述外部端子连接于所述半导体元件的电极；以及凝胶材料，设于所述壳体内，并覆盖所述金属板端子的一部分、所述基板、所述半导体元件以及所述引线。所述金属板端子具有：第一部分，配置于所述引线与所述壳体的顶板之间且是所述凝胶材料的内部；第二部分，相对于所述第一部分弯曲，并连接于所述半导体元件的所述电极；以及第三部分，从所述第一部分的端部朝向所述基板延伸。
附图说明
图1是表示第一实施方式的功率模块的立体图。
图2是表示第一实施方式的功率模块的立体剖面图。
图3是表示第一实施方式的功率模块的剖面图。
图4的(a)是表示比较例的功率模块的室温状态的剖面图，图4的(b)是表示比较例的功率模块的高温状态的剖面图，图4的(c)是表示第一实施方式的功率模块的高温状态的剖面图。
图5是表示第二实施方式的功率模块的立体图。
图6是表示第二实施方式的功率模块的立体剖面图。
图7的(a)是表示第二实施方式的功率模块的室温状态的剖面图，图7的(b)是表示第二实施方式的功率模块的高温状态的剖面图。
图8是表示第三实施方式的功率模块的立体分解图。
图9是表示第三实施方式的功率模块的立体剖面图。
图10是表示第三实施方式的功率模块的动作的剖面图。
图11是表示第四实施方式的功率模块的立体分解图。
图12是表示第四实施方式的功率模块的立体剖面图。
图13的(a)是表示在第一试验例中设想的功率模块的立体图，图13的(b)是表示凝胶材料的分析模型的图，图13的(c)是表示凝胶材料的应变分布的图。
图14是在横轴取金属板端子的平面部分的高度、在纵轴取凝胶材料的应变的最大值来表示平面部分的高度对凝胶材料的应变量产生的影响的曲线图。
图15的(a)是表示未设有分隔板的情况下的凝胶材料的分析模型的图，图15的(b)是表示设有分隔板的情况下的凝胶材料的分析模型的图，图15的(c)是在横轴取分隔板的有无、在纵轴取凝胶材料的应变量的最大值来表示分隔板的有无对凝胶材料的应变量产生的影响的曲线图。
附图标记说明
1、2、3、4：功率模块
10：壳体
11：底板
12：侧板
13：顶板
14：外部端子
15：贯通孔
16：螺栓
20：基板
21：半导体元件
22：电极
23：引线
30：金属板端子
31～37：平面部分
33a、36a、37a：端部
40：凝胶材料
40a、40b：部分
41：空气层
51：低刚性板
51a：端部
61：分隔板
62：水平部分
63、64：垂直部分
65：空间
66：分隔板
67、68、69：垂直部分
101：功率模块
具体实施方式
＜第一实施方式＞
以下，对第一实施方式进行说明。
图1是表示本实施方式的功率模块的立体图。
图2是表示本实施方式的功率模块的立体剖面图。
图3是表示本实施方式的功率模块的剖面图。
另外，各图是示意性的，适当强调或省略构成要素。对于后述的其他图也相同。例如，在图1以及图2中，为了方便图示，省略了壳体的顶板。
如图1～图3所示，在本实施方式的功率模块1中设有壳体10。壳体10的形状例如为大致长方体状，内部为中空。在壳体10中设有底板11、侧板12以及顶板13。底板11以及顶板13的形状例如为矩形的平板状。侧板12的形状例如为四棱柱的筒状。
在顶板13设有多个外部端子14。外部端子14在壳体10的外表面露出。以贯通顶板13以及外部端子14的方式形成有贯通孔15。以下，将从底板11朝向顶板13的方向称为“上”，将从顶板13朝向底板11的方向称为“下”，但该表现是为了方便，与重力的方向无关。也将“上”以及“下”统称为“垂直方向”。
在底板11上例如设有绝缘性的基板20。在基板20的上表面搭载有多个半导体元件21。半导体元件21例如为功率半导体元件，例如为MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(insulated gatebipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)、双极型晶体管以及二极管等。形成半导体元件21的主要半导体材料例如为碳化硅(SiC)或硅(Si)。在各半导体元件21例如设有两个或三个电极22。在不同的半导体元件21的电极22间连接有引线23。引线23在半导体元件21的上方形成回路(loop)。
在壳体10内，例如设有三片金属板端子30。另外，在图1～图3中仅示出了一片金属板端子30。金属板端子30含有金属，例如由铜(Cu)构成。金属板端子30例如通过对一张金属板进行弯折加工来形成。
在金属板端子30中，一体地设有平面部分31～37。平面部分31～35按该顺序连续地排列。平面部分31位于壳体10的侧板12与顶板13之间，经由***到贯通孔15的螺栓16而被连接于外部端子14。另外，在本说明书中，“连接”是指电连接。
平面部分32从平面部分31中的壳体10的内部侧的端缘开始弯曲并向下方延伸。平面部分33从平面部分32的下端缘开始弯曲并沿与基板20的上表面平行的方向(以下，称为“水平方向”)延伸。平面部分34从平面部分33中的与平面部分32的边界相反的一侧的端缘开始向下方延伸。平面部分35从平面部分34的下端缘开始弯曲并沿水平方向延伸，与半导体元件21的电极22连接。这样，金属板端子30将外部端子14连接于半导体元件21的电极22。
金属板端子30的平面部分36从除去平面部分33中的与平面部分32连续的端缘以及与平面部分34连续的端缘以外的、两个端缘中的一方开始弯曲，并向斜下方延伸。平面部分36的前端为自由端。同样，平面部分37从上述的两个端缘中的另一方开始弯曲并向斜下方延伸。平面部分37的前端为自由端。平面部分36及37例如以越朝向下方越相互分离的方式倾斜。
平面部分36、33、37按该顺序连续地排列。因此，从在水平方向上扩展的平面部分33观察时，向上方延伸的平面部分32、向斜下方延伸的平面部分36、向下方延伸的平面部分34、以及向斜下方延伸的平面部分37位于相互正交的四个方向。
在平面部分33的正下方区域、即基板20与平面部分33之间配置有引线23。换言之，平面部分33配置于引线23与顶板13之间。
在壳体10内封入凝胶材料40。凝胶材料40覆盖基板20、半导体元件21、引线23。另外，凝胶材料40覆盖金属板端子30的平面部分32的下部以及平面部分33～37各自的整体。凝胶材料40为绝缘性，其弹性率比金属的弹性率低。凝胶材料40例如由硅凝胶构成。通过凝胶材料40，能够抑制由热应力导致的引线23的断裂。另外，通过凝胶材料40，能够确保金属板端子30间、引线23间以及金属板端子30与引线23之间等的绝缘性。而且，通过凝胶材料40，可保护基板20、半导体元件21以及引线23等免受从外部侵入壳体10内的氧、水分、微颗粒等的影响。
凝胶材料40并未被填充到壳体10内的整体，在壳体10内的凝胶材料40上存在空气层41。另外，壳体10并不处于完全的气密状态，空气层41的空气能够相对于壳体10的外部流出流入。但是，凝胶材料40是变形容易但一体化的固体，不会从壳体10的间隙泄漏到外部。
接下来，对本实施方式的功率模块的动作进行说明。
图4的(a)是表示比较例的功率模块的室温状态的剖面图，图4的(b)是表示比较例的功率模块的高温状态的剖面图，图4的(c)是表示本实施方式的功率模块的高温状态的剖面图。
对功率模块1供给电力，若半导体元件21导通，则半导体元件21发热，功率模块1整体的温度上升。伴随于此，功率模块1的各部件热膨胀，但其热膨胀率根据部件间而不同。凝胶材料40的热膨胀率比壳体10的热膨胀率以及金属板端子30的热膨胀率大。因此，当功率模块1的温度上升时，凝胶材料40的体积的增加率比壳体10的容积的增加率大，凝胶材料40的上表面上升。另外，当功率模块1的通电停止时，功率模块1的温度从高温降至室温。由此，凝胶材料40的体积减少，凝胶材料40的上表面下降。
如图4的(a)以及图4的(b)所示，在比较例的功率模块101中，在金属板端子30未设有平面部分36及37。因此，当功率模块101的温度上升时，凝胶材料40一边与金属板端子30的平面部分33的端部33a接触一边向上方移动。此时，从平面部分33的端部33a被向凝胶材料40施加较大的剪切力。另外，当功率模块101的温度降低了时，凝胶材料40一边与金属板端子30的平面部分33的端部33a接触一边向下方移动。
这样，伴随着功率模块101的动作，若功率模块101反复进行加热以及冷却，则对凝胶材料40反复施加剪切力而在凝胶材料40产生龟裂。其结果，由凝胶材料40带来的引线23的支承效果、金属板端子30及引线23的绝缘效果以及免受外部环境影响的保护效果减少，在金属板端子30间产生绝缘破坏的可能性增加，功率模块101的可靠性降低。
与此相对，如图4的(c)所示，在本实施方式的功率模块1中，在金属板端子30设有平面部分36及37。因此，当功率模块1的温度发生了变化时，凝胶材料40并不是一边与平面部分33的端部33a接触一边上下移动，而是一边与平面部分36的端部36a以及平面部分37的端部37a接触一边上下移动。加热以及冷却时的凝胶材料40的移动量取决于垂直方向上的位置，越是位于下方、即距底板11近的位置的凝胶材料40，移动量越小。而且，端部36a及37a位于比端部33a靠下方的位置。因此，在功率模块1中一边与端部36a及37a接触一边移动的凝胶材料40的移动量比在功率模块101中一边与端部33a接触一边移动的凝胶材料40的移动量小。
因而，在本实施方式中，与比较例相比，由金属板端子30对凝胶材料40施加的剪切力小。因此，在功率模块1中，能够抑制凝胶材料40中的龟裂的产生。其结果，本实施方式的功率模块1的可靠性高。
另外，在本实施方式的功率模块1中，通过将平面部分33配置在一定的高度，能够在基板20与平面部分33之间确保形成引线23的回路的空间。因此，能够防止引线23与平面部分33接触而短路。
＜第二实施方式＞
接下来，对第二实施方式进行说明。
图5是表示本实施方式的功率模块的立体图。
图6是表示本实施方式的功率模块的立体剖面图。
如图5以及图6所示，本实施方式的功率模块2与第一实施方式的功率模块1(参照图1～图3)相比，在金属板端子30未设有平面部分36及37这一点、以及在金属板端子30的平面部分33上设有低刚性板51这一点上不同。
低刚性板51的刚性比金属板端子30的平面部分33的刚性低。例如，低刚性板51的材料的杨氏模量比金属板端子30的材料的杨氏模量低。低刚性板51例如由树脂材料构成，例如由PET(PolyEthylene Terephthalate：聚对苯二甲酸乙二醇酯)构成。
低刚性板51例如通过粘合或螺栓连结等手段，贴合于金属板端子30的平面部分33的上表面。在从上方观察时，低刚性板51比平面部分33大，低刚性板51的端部51a从平面部分33的端部33a伸出。
接下来，对本实施方式的功率模块的动作进行说明。
图7的(a)是表示本实施方式的功率模块的室温状态的剖面图，图7的(b)是表示本实施方式的功率模块的高温状态的剖面图。
如上所述，在功率模块2中，当从上方观察时，低刚性板51的端部51a从平面部分33的端部33a伸出。因此，在因热循环而凝胶材料40上下移动时，凝胶材料40并不是以绕过平面部分33的端部33a的方式移动，而是以绕过低刚性板51的端部51a的方式移动。
如图7的(a)以及图7的(b)所示，低刚性板51的刚性比金属板端子30的平面部分33刚性低，因此某种程度上随着凝胶材料40的移动而变形。由此，低刚性板51的端部51a能够缓和施加于凝胶材料40的剪切力。其结果，能够抑制凝胶材料40中的龟裂的产生。由此，本实施方式的功率模块2的可靠性高。
另外，也可以是，低刚性板51的材料与金属板端子30的材料相同，使低刚性板51的厚度比金属板端子30的平面部分33的厚度薄。由此，也能够使低刚性板51的刚性比平面部分33的刚性低，获得上述的效果。另外，低刚性板51也可以贴合于平面部分33的下表面。
本实施方式中的除了上述以外的构成、动作以及效果与第一实施方式相同。
＜第三实施方式＞
接下来，对第三实施方式进行说明。
图8是表示本实施方式的功率模块的立体分解图。
图9是表示本实施方式的功率模块的立体剖面图。
如图8以及图9所示，本实施方式的功率模块3与第一实施方式的功率模块1(参照图1～图3)相比，在金属板端子30未设有平面部分36及37这一点、以及以覆盖金属板端子30的平面部分33及其正下方区域的方式设有分隔板61这一点不同。
分隔板61优选由绝缘材料构成，例如由树脂材料构成。分隔板61的形状为将一张长条状的板弯曲成“コ”字状而成的形状。更具体而言，在分隔板61中，一体地设有水平部分62、以及从水平部分62的两侧向下方延伸的垂直部分63及64。
水平部分62例如通过粘合剂、粘合片或螺栓连结等固定手段贴合于金属板端子30的平面部分33的上表面。在从上方观察时，水平部分62的形状与平面部分33的形状大致相同，但大一圈。垂直部分63及64以覆盖平面部分33的两侧的端部33a的方式从水平部分62开始弯曲。垂直部分63及64的下端例如未到达基板20。通过金属板端子30的平面部分33及34、分隔板61的垂直部分63及64、以及壳体10的侧板12的一部分，从周围划分出平面部分33与基板20之间的空间65。
接下来，对本实施方式的功率模块的动作以及效果进行说明。
图10是表示本实施方式的功率模块的动作的剖面图。
如图10所示，在本实施方式中，通过金属板端子30的平面部分33及34、分隔板61的垂直部分63及64、壳体10的侧板12的一部分，划分出空间65。因此，凝胶材料40中的配置于空间65的内部的部分40a与配置于空间65的外部的部分40b实质上被分离，在受到了热循环时，分别移动。
即，当功率模块3被加热时，凝胶材料40膨胀，凝胶材料40中的配置于空间65内的部分40a被平面部分33及34、垂直部分63及64、以及侧板12阻止向上方的移动。另一方面，凝胶材料40中的配置于空间65外的部分40b沿着分隔板61的垂直部分63及64的表面向上方移动。此时，由于垂直部分63及64实质上未介于部分40b的移动路径，因此垂直部分63及64几乎不对凝胶材料40的部分40b施加剪切力。因此，能够抑制凝胶材料40中的龟裂的产生。
另外，由于分隔板61为绝缘性，因此即使与半导体元件21的电极22以及引线23接触，也不会短路。
另外，分隔板61的水平部分62也可以粘附于金属板端子30的平面部分33的下表面。
本实施方式中的除了上述以外的构成、动作以及效果与第一实施方式相同。
＜第四实施方式＞
接下来，对第四实施方式进行说明。
图11是表示本实施方式的功率模块的立体分解图。
图12是表示本实施方式的功率模块的立体剖面图。
如图11以及图12所示，本实施方式的功率模块4与第三实施方式的功率模块3(参照图8～图10)相比，代替分隔板61而设有分隔板66这一点不同。
分隔板66优选与分隔板61相同，由绝缘材料构成，例如由树脂材料构成。另外，分隔板66的形状也是将一张长条状的板弯曲加工成“コ”字状而成的形状，但与分隔板61的弯曲的方向不同。在分隔板66中，一体地设有垂直部分67、68以及69。
分隔板66的垂直部分67例如通过粘合剂、粘合片或螺栓连结等固定手段贴合于金属板端子30的平面部分34中的平面部分33的相反侧的表面。垂直部分67的下端例如未到达基板20。垂直部分68及69从垂直部分67的水平方向的两端部向朝向平面部分32的方向弯曲。通过金属板端子30的平面部分33及34、分隔板66的垂直部分68及69、壳体10的侧板12的一部分，从周围划分出相当于金属板端子30的平面部分33的正下方区域的空间、即平面部分33与基板20之间的空间65。
另外，分隔板66的垂直部分67也可以贴合于金属板端子30的平面部分34中的平面部分33侧的表面。
本实施方式中的除上述以外的构成、动作以及效果与第三实施方式相同。
＜第一试验例＞
接下来，对第一试验例进行说明。
在本试验例中，对金属板端子30的平面部分33的高度、即距底板11的距离对凝胶材料40的应变产生的影响进行了调查。
图13的(a)是表示在本试验例中设想的功率模块的立体图，图13的(b)是表示凝胶材料的分析模型的图，图13的(c)是表示凝胶材料的应变分布的图。图13的(c)所示的部分相当于图13的(b)的A－A’截面。
图14是在横轴取金属板端子30的平面部分33的高度h、在纵轴取凝胶材料的应变的最大值来表示平面部分33的高度对凝胶材料40的应变量产生的影响的曲线图。
如图13的(a)所示，在本试验例中设想的功率模块的构成与图4的(a)所示的比较例的功率模块101的构成相同，是从第一实施方式的功率模块1中除去了金属板端子30的平面部分36及37的构成。
在图13的(a)所示的功率模块101中，如图13的(b)所示，模拟了在凝胶材料40产生了热膨胀时在凝胶材料40的各部产生的应变。其结果，如图13的(c)所示，凝胶材料40的应变在平面部分33的端部附近变为最大。
使平面部分33的高度不同而实施了多次这样的模拟。如图14所示，平面部分33的高度越低，应变量的最大值越小。因此，确认到，如第一实施方式那样，通过在金属板端子30设置平面部分36及37，并使平面部分36的端部36a以及平面部分37的端部37a的位置降低，从而使得凝胶材料40的应变量降低。可以认为，由于凝胶材料40的应变量降低，在凝胶材料40产生龟裂的可能性减少。
＜第二试验例＞
接下来，对第二试验例进行说明。
在本试验例中，调查了第三以及第四实施方式中的分隔板的存在对凝胶材料的应变产生的影响。
图15的(a)是表示未设有分隔板的情况下的凝胶材料的分析模型的图，图15的(b)是表示设有分隔板的情况下的凝胶材料的分析模型的图，图15的(c)是在横轴取分隔板的有无、在纵轴取凝胶材料的应变量的最大值来表示分隔板的有无对凝胶材料的应变量产生的影响的曲线图。
图15的(a)所示的模型设想了上述的比较例的功率模块101。图15的(b)所示的模型设想了上述的第三实施方式的功率模块3以及第四实施方式的功率模块4。
如图15的(a)以及图15的(b)所示，针对未设有分隔板的情况与设有分隔板的情况，模拟了在凝胶材料40产生了热膨胀时在凝胶材料40产生的应变的分布。其结果，如图15的(c)所示，设有分隔板的情况与未设有分隔板的情况相比，凝胶材料40的应变量的最大值低。因此，可以认为，第三实施方式的功率模块3以及第四实施方式的功率模块4与比较例的功率模块101相比，凝胶材料40的应变量变少，在凝胶材料40产生龟裂的可能性低。
根据以上说明的实施方式，能够实现可靠性较高的功率模块。
以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、主旨内，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等效的范围内。

Claims (7)

1.一种功率模块，具备：
壳体，具有在外表面露出的外部端子；
基板，设于所述壳体内；
半导体元件，搭载于所述基板；
引线，连接于所述半导体元件；
金属板端子，设于所述壳体内，并将所述外部端子连接于所述半导体元件的电极；以及
凝胶材料，设于所述壳体内，并覆盖所述金属板端子的一部分、所述基板、所述半导体元件以及所述引线，
所述金属板端子具有：
第一部分，配置于所述引线与所述壳体的顶板之间且是所述凝胶材料的内部；
第二部分，相对于所述第一部分弯曲，并连接于所述半导体元件的所述电极；以及
第三部分，从所述第一部分的端部朝向所述基板延伸。
2.一种功率模块，具备：
壳体，具有在外表面露出的外部端子；
基板，设于所述壳体内；
半导体元件，搭载于所述基板；
引线，连接于所述半导体元件；
金属板端子，设于所述壳体内，并将所述外部端子连接于所述半导体元件的电极；
低刚性板；以及
凝胶材料，设于所述壳体内，并覆盖所述金属板端子的一部分、所述低刚性板、所述基板、所述半导体元件以及所述引线，
所述金属板端子具有：
第一部分，配置于所述引线与所述壳体的顶板之间且是所述凝胶材料的内部；以及
第二部分，相对于所述第一部分弯曲，并连接于所述半导体元件的电极，
所述低刚性板的刚性比所述第一部分的刚性低，所述低刚性板贴合于所述第一部分，所述低刚性板的端部从所述第一部分的端部伸出。
3.如权利要求2所述的功率模块，
所述低刚性板由树脂材料构成。
4.一种功率模块，具备：
壳体，具有在外表面露出的外部端子；
基板，设于所述壳体内；
半导体元件，搭载于所述基板；
引线，连接于所述半导体元件；
金属板端子，设于所述壳体内，并将所述外部端子连接于所述半导体元件的电极；
分隔板，设于所述壳体内；以及
凝胶材料，设于所述壳体内，并覆盖所述金属板端子的一部分、所述分隔板、所述基板、所述半导体元件以及所述引线，
所述金属板端子具有：
第一部分，配置于所述引线与所述壳体的顶板之间且是所述凝胶材料的内部；以及
第二部分，相对于所述第一部分弯曲，并连接于所述半导体元件的电极，
通过所述壳体的一部分、所述金属板端子以及所述分隔板，被从周围划分出所述第一部分与所述基板之间的空间。
5.如权利要求4所述的功率模块，
所述分隔板的一部分贴合于所述第一部分。
6.如权利要求4所述的功率模块，
所述分隔板的一部分贴合于所述第二部分。
7.如权利要求4～6中任一项所述的功率模块，
所述分隔板由树脂材料构成。
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