CN117769761A - 功率模块以及电力转换装置 - Google Patents
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Abstract
提供能够降低散热部件与绝缘基板的接合所引起的热应力并抑制由于热应力而产生的散热部件的翘曲的技术。功率模块(202)具备：散热部件(14)，其具有周壁部(15)和凹部(19)，凹部(19)形成于比周壁部(15)靠内周侧的位置且向下方凹陷；至少一个陶瓷基板(10)，其被接合到凹部(19)内；多个半导体元件，它们搭载于至少一个陶瓷基板(10)上；壳体(5)，其沿着周壁部(15)的上端被固定，在内部填充有密封树脂(7)；以及电路形成部件，其包含电极板(63、64、65)，电极板(63、64、65)分别将多个半导体元件之间、以及半导体元件与至少一个陶瓷基板(10)之间连接，散热部件(14)的周壁部(15)的上下方向(Z轴方向)的厚度比形成凹部(19)的底面的底壁部(16)的上下方向(Z轴方向)的厚度厚。
Description
技术领域
本公开涉及功率模块以及电力转换装置。
背景技术
功率模块搭载于从工业设备到家电及信息终端的所有产品，随着环境问题的深化，在电能的发电、输电以及再生的所有场景中正在普及。其中，对于搭载于电动汽车的功率模块，要求较高的散热性能，并且为了可靠地进行相对于冷却水套的紧固而要求较高的平面度。
此外，对于功率模块，还同时要求是能够应用于在动作温度高、效率优异这方面今后成为主流的可能性高的SiC半导体的封装形态。
例如在专利文献1中，公开了具备具有散热翅片的金属基底(相当于散热部件)的功率模块。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2013/141154号
发明内容
发明要解决的课题
在功率模块中，由于要处理大电流和高电压，因此使用具有高绝缘性能和高散热性能的陶瓷基板作为绝缘基板，但作为构成陶瓷基板的基材的原材料的氮化铝和氮化硅与作为散热部件的原材料使用的铜和铝相比较，线膨胀系数明显小。因此，在将散热部件与绝缘基板接合时，接合部会产生较大的热应力，存在容易产生散热部件的翘曲以及温度循环时的裂纹的问题。
在专利文献1所记载的技术中，形成为如下结构：在搭载有多个陶瓷基板的金属基底形成有V型槽，在各个陶瓷基板上的半导体元件中产生的热不发生干涉。因此，虽然能够期待通过金属基底的刚性的降低而使热应力降低的效果，但与此相反，担心金属基底的翘曲变大。
因此，本公开的目的在于提供能够降低散热部件与绝缘基板的接合所引起的热应力并抑制由于热应力而产生的散热部件的翘曲的技术。
用于解决课题的手段
本公开的功率模块具备：散热部件，其具有周壁部和凹部，所述凹部形成于比所述周壁部靠内周侧的位置且向下方凹陷；至少一个绝缘基板，其被接合到所述凹部内；多个半导体元件，它们搭载于至少一个所述绝缘基板上；壳体，其沿着所述周壁部的上端被固定，在内部填充有密封材料；以及电路形成部件，其包含电极板，所述电极板分别将多个所述半导体元件之间、以及所述半导体元件与至少一个所述绝缘基板之间连接，所述散热部件的所述周壁部的上下方向的厚度比形成所述凹部的底面的底壁部的上下方向的厚度厚。
发明效果
根据本公开，由于散热部件的形成供绝缘基板接合的凹部的底面的底壁部的上下方向的厚度比周壁部的上下方向的厚度薄，因此能够使散热部件与绝缘基板的接合所引起的热应力降低。另一方面，由于散热部件的周壁部的上下方向的厚度比底壁部的上下方向的厚度厚，因此能够确保散热部件的刚性。由此，能够抑制由于散热部件与绝缘基板的接合所引起的热应力而产生的散热部件的翘曲。
通过以下的详细说明和附图，本公开的目的、特征、方面以及优点将会变得更加清楚。
附图说明
图1是实施方式1的功率模块(6合1)的剖视图。
图2是实施方式1的功率模块(6合1)的俯视图。
图3是示出实施方式1的功率模块(6合1)的制造工序的示意图。
图4是示出实施方式1的功率模块(6合1)的制造工序的另一例的示意图。
图5是实施方式1的变形例1的功率模块(6合1)的俯视图和间隔部的剖视图。
图6是实施方式1的变形例2的功率模块(6合1)的剖视图。
图7是实施方式1的变形例2的功率模块(6合1)的俯视图。
图8是实施方式2的功率模块(6合1)的剖视图。
图9是实施方式2的功率模块(6合1)的俯视图。
图10是实施方式2的变形例的功率模块(6合1)的剖视图。
图11是实施方式3的功率模块(6合1)的俯视图。
图12是示出应用了实施方式4的电力转换装置的电力转换***的结构的框图。
具体实施方式
＜实施方式1＞
＜结构＞
以下，使用附图对实施方式1进行说明。图1是实施方式1的功率模块202(6合1)的剖视图。图2是实施方式1的功率模块202(6合1)的俯视图。另外，在图2中，为了易于观察附图而省略了密封树脂7。
在图1中，X方向、Y方向以及Z方向彼此垂直。以下的图所示的X方向、Y方向以及Z方向也彼此垂直。在以下内容中，也将包含X方向、以及作为与该X方向相反的方向的-X方向的方向称为“X轴方向”。此外，在以下内容中，也将包含Y方向、以及作为与该Y方向相反的方向的-Y方向的方向称为“Y轴方向”。此外，在以下内容中，也将包含Z方向、以及作为与该Z方向相反的方向的-Z方向的方向称为“Z轴方向”。
如图1和图2所示，功率模块202具备散热部件14、两个陶瓷基板10、六个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)21、六个二极管22、壳体5、信号端子61、外部端子62、电极板63、N侧电极板64、以及P侧电极板65。在此，陶瓷基板10相当于绝缘基板，IGBT21和二极管22相当于半导体元件。
散热部件14由铝合金形成，具备周壁部15、底壁部16、间隔部17、多个冷却用销18和凹部19。
在从Z方向观察时，底壁部16形成为矩形状。在从Z方向观察时，周壁部15形成为矩形框架状，并围绕底壁部16的外周侧。周壁部15的前后方向(Y轴方向)的长度为90mm，左右方向(X轴方向)的长度为70mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为4mm。
凹部19形成于比周壁部15靠内周侧的位置，形成为向下方(-Z方向)凹陷的形状。具体而言，凹部19是由周壁部15的内周面和底壁部16的上表面(Z方向的面)形成的。
间隔部17沿前后方向(Y轴方向)延伸，被设置于凹部19的左右方向(X轴方向)的中央部。间隔部17与底壁部16一体地由铝合金形成。间隔部17的上下方向(Z轴方向)的厚度均匀地形成。在间隔部17与电极板63之间形成有间隙，以使得间隔部17的上端(Z方向的端)不与位于间隔部17的上方的电极板63接触。
凹部19在左右方向(X轴方向)上被间隔部17分割为两个。凹部19的左侧部分(-X方向的部分)的前后方向(Y轴方向)的长度为61mm，左右方向(X轴方向)的长度为31mm，上下方向(Z轴方向)的深度为3mm。另一方面，凹部19的右侧部分(X方向的部分)的前后方向(Y轴方向)的长度为61mm，左右方向(X轴方向)的长度为34mm，上下方向(Z轴方向)的深度为3mm。
在凹部19的左侧部分(-X方向的部分)配置有P侧电极板65，在凹部19的右侧部分(X方向的部分)配置有N侧电极板64。以下，将凹部19的左侧部分(-X方向的部分)称为P侧，将凹部19的右侧部分(X方向的部分)称为N侧。
间隔部17的上下方向(Z轴方向)的厚度为4mm，与周壁部15的上下方向(Z轴方向)的厚度相同。另外，间隔部17不是必须的结构，在不需要将凹部19分割为两个的情况下，也可以去掉间隔部17。在该情况下，陶瓷基板10也可以仅配置有一个。此外，也可以设置两个以上的间隔部17，将凹部19分割为三个以上。
在底壁部16的下表面(-Z方向的面)配置有向下方(-Z方向)突出的180根冷却用销18。冷却用销18的直径为2mm，上下方向(Z轴方向)的长度为5mm。
在散热部件14整面实施了镀镍。底壁部16的上表面(Z方向的面)被间隔部17分割为两个，在这被分割为两个而形成的部分分别使用焊料30接合有两个陶瓷基板10。
各陶瓷基板10具备氮化铝制的基材11、铜制的背面导体层12以及铜制的正面导体层13。在基材11的背面(-Z方向的面)通过钎焊成膜而形成背面导体层12，在基材11的正面(Z方向的面)通过钎焊成膜而形成正面导体层13。
配置于P侧的基材11的前后方向(Y轴方向)的长度为60mm，左右方向(X轴方向)的长度为30mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为0.64mm。配置于N侧的基材11的前后方向(Y轴方向)的长度为60mm，左右方向(X轴方向)的长度为33mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为0.64mm。
配置于P侧的背面导体层12的前后方向(Y轴方向)的长度为56mm，左右方向(X轴方向)的长度为26mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为0.8mm。配置于N侧的背面导体层12的前后方向(Y轴方向)的长度为56mm，左右方向(X轴方向)的长度为29mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为0.8mm。
配置于P侧的正面导体层13的前后方向(Y轴方向)的长度为56mm，左右方向(X轴方向)的长度为26mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为0.8mm。在N侧，在Y轴方向上排列形成有三个正面导体层13。配置于N侧的正面导体层13的前后方向(Y轴方向)的长度为17mm，左右方向(X轴方向)的长度为29mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为0.8mm。
在配置于P侧的正面导体层13的上表面(Z方向的面)，通过焊料30搭载有三组IGBT21和二极管22。焊料30的含有率为锡96.5％、银3％、铜0.5％，焊料30的熔点为217℃。
IGBT21为硅制，IGBT21的前后方向(Y轴方向)的长度为15mm，左右方向(X轴方向)的长度为15mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为0.2mm。
二极管22为硅制，二极管22的前后方向(Y轴方向)的长度为15mm，左右方向(X轴方向)的长度为10mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为0.2mm。
三组IGBT21和二极管22的正面电极(未图示)分别使用焊料30与铜制的三个电极板63接合。电极板63的上下方向(Z轴方向)的厚度为0.5mm。
壳体5由PPS(Poly Phenylene Sulfide(聚苯硫醚)：耐热温度280℃)树脂形成为从Z方向观察时的矩形框架状，使用粘接剂(未图示)沿着散热部件14的周壁部15的上端(Z方向的端部)进行粘接。壳体5的前后方向(Y轴方向)的长度为90mm，左右方向(X轴方向)的长度为70mm，上下方向(Z轴方向)的厚度为6mm。
在壳体5的与P侧对应的部分嵌件成型有铜制的三个外部端子62，此外，对于每个外部端子嵌件形成有铜制的P侧电极板65。三个外部端子62分别与U相电路、V相电路、W相电路对应。三个电极板63以跨越相邻的各陶瓷基板10的方式配置，三个电极板63的一端部分别使用焊料30与三个外部端子62接合。
三个电极板63的另一端部与间隔部17交叉，并延伸至配置于N侧的陶瓷基板10一方。具体而言，三个电极板63的另一端部通过间隔部17的上方(Z方向)，分别使用焊料30与配置于N侧的三个正面导体层13接合。外部端子62和P侧电极板65的上下方向(Z轴方向)的厚度为0.5mm。
P侧的共用漏极使用焊料(未图示)与铜制的P侧电极板65接合。P侧电极板65的上下方向(Z轴方向)的厚度为0.5mm。
另一方面，在配置于N侧的三个正面导体层13的上表面(Z方向的面)，通过焊料30各搭载有一组IGBT21和二极管22。
在壳体5的与N侧对应的部分，每个外部端子嵌件形成有铜制的N侧电极板64。三组IGBT21和二极管22的正面电极(未图示)使用焊料30与N侧电极板64接合。N侧电极板64的上下方向(Z轴方向)的厚度为0.5mm。
此外，在壳体5的与P侧和N侧对应的部分，每个外部端子各嵌件成型有六个铜制的信号端子61。IGBT21的信号电极211通过铝制的引线41而与信号端子61接合。信号端子61的上下方向(Z轴方向)的厚度为0.5mm，引线41的直径为0.15mm。
在此，电极板63、N侧电极板64以及P侧电极板65相当于将多个半导体元件之间、以及半导体元件与陶瓷基板10之间分别连接的电路形成部件。此外，在P侧和N侧，IGBT21与二极管22以构成U相电路、V相电路、W相电路的方式连接。
散热部件14的凹部19和壳体5的内侧通过利用密封树脂7填充而被绝缘密封。密封树脂7是分散有二氧化硅填料的环氧树脂。在此，密封树脂7相当于密封材料。
＜制造工序＞
接下来，使用图3的(a)～(d)对功率模块202的制造工序进行说明。图3的(a)～(d)是示出实施方式1的功率模块202(6合1)的制造工序的示意图。
如图3的(a)所示，在散热部件14的底壁部16的上表面(Z方向的面)配置上下方向(Z轴方向)的厚度为0.3mm的片状的焊料30、以及陶瓷基板10，在陶瓷基板10的正面导体层13之上(Z方向)配置上下方向(Z轴方向)的厚度为0.2mm的片状的焊料30、以及IBGT21和二极管22，进而在各个正面电极(未图示)上(Z方向)分别定位配置上下方向(Z轴方向)的厚度为0.2mm的片状的焊料30。
在回流炉中将该组装体加热至260℃以使焊料30熔化，从而如图3的(b)所示那样进行焊料接合。
接下来，如图3的(c)所示，使用粘接剂(未图示)将嵌件形成有信号端子61和外部端子62等的壳体5粘接在散热部件14上。将电极板63定位配置后，在回流炉中将该组装体加热至260℃，使IBGT21和二极管22上的焊料30熔化而进行接合。这时，壳体5的原材料为PPS，其耐热温度为280℃，因此，壳体5对回流炉的最高温度260℃具有耐热性。在如焊料30的含有率为锡95％、锑5％、熔点为240℃这样地焊料30的熔点比在上述内容中进行了说明的熔点高、并且壳体5的原材料为PBT(Poly Butylene Terephthalate(聚对苯二甲酸丁二醇酯)：耐热温度220℃以下)的情况下，担心壳体5因为焊接时的热而变形，因此，壳体5的耐热温度需要至少在焊料30的熔点以上。
接下来，如图3的(d)所示，使用引线41将IGBT21的信号电极211(参照图2)与信号端子61接合。然后，将液态的密封树脂7注入壳体5的内侧，在烘箱中在150℃下加热一个小时使其固化，完成密封。由此，完成功率模块202。
或者，也可以以图4的(a)～(c)的方法来代替图3的(a)～(d)的方法来制造功率模块202。图4的(a)～(c)是示出实施方式1的功率模块202(6合1)的制造工序的另一例的示意图。
如图4的(a)所示，在散热部件14的底壁部16的上表面(Z方向的面)配置上下方向(Z轴方向)的厚度为0.3mm的片状的焊料30、以及陶瓷基板10，在陶瓷基板10的正面导体层13之上(Z方向)配置上下方向(Z轴方向)的厚度为0.2mm的片状的焊料30、以及IBGT21和二极管22，在各个正面电极(未图示)上(Z方向)分别定位配置上下方向(Z轴方向)的厚度为0.2mm的片状的焊料30。进而，在其上(Z方向)定位搭载电极板63和N侧电极板64。
在回流炉中将该组装体加热至260℃以使焊料30熔化，从而如图4的(b)所示那样进行焊料接合。
接下来，如图4的(c)所示，使用粘接剂(未图示)将嵌件形成有信号端子61和外部端子62等的壳体5粘接在散热部件14上。使用导电性粘接剂31(固化条件180℃、1h)将电极板63与外部端子62接合。
使用引线41将IGBT21的信号电极211(参照图2)与信号端子61接合。然后，将液态的密封树脂7注入壳体5的内侧，在烘箱中在150℃下加热一个小时使其固化，完成密封。由此，完成功率模块202。
在将壳体5安装于组装体之前搭载电极板63和N侧电极板64并进行焊料接合，由此，将组装体放入回流炉的次数为一次即可。此外，通过使用导电性粘接剂31将电极板63与外部端子62接合，能够使用耐热温度较低的壳体原材料。在此，在电极板63与外部端子62的接合时使用导电性粘接剂31，但也能够使用Bi-Sn系等低温焊料(熔点139℃)、或者使用TIG焊接以及超声波接合等常温接合工艺。
＜效果＞
如上所述，实施方式1的功率模块202具备：散热部件14，其具有周壁部15和凹部19，所述凹部19形成于比周壁部15靠内周侧的位置且向下方凹陷；至少一个陶瓷基板10，其被接合到凹部19内；多个半导体元件，它们搭载于至少一个陶瓷基板10上；壳体5，其沿着周壁部15的上端被固定，在内部填充有密封树脂7；以及电路形成部件，其包含电极板63、64、65，所述电极板63、64、65分别将多个半导体元件之间、以及半导体元件与至少一个陶瓷基板10之间连接，散热部件14的周壁部15的上下方向(Z轴方向)的厚度比形成凹部19的底面的底壁部16的上下方向(Z轴方向)的厚度厚。
因此，由于散热部件14的形成供陶瓷基板10接合的凹部19的底面的底壁部16的上下方向(Z轴方向)的厚度比周壁部15的上下方向(Z轴方向)的厚度薄，因此能够使散热部件14与陶瓷基板10的接合所引起的热应力降低。另一方面，由于散热部件14的周壁部15的上下方向(Z轴方向)的厚度比底壁部16的上下方向(Z轴方向)的厚度厚，因此能够确保散热部件14的刚性。由此，能够抑制由于散热部件14与陶瓷基板10的接合所引起的热应力而产生的散热部件14的翘曲。
如上所述，通过抑制散热部件14的翘曲，能够长期使用功率模块202，还能够实现能量消耗量的削减以及生产工序的环境负荷的降低。
此外，由于至少一个陶瓷基板10和散热部件14通过熔点比壳体5的耐热温度低的焊料30接合，因此能够抑制壳体5因为焊接时的热而变形。
此外，电极板63和形成于壳体5的外部端子62通过加热温度比焊料30低的导电性粘接剂31接合，因此能够使用耐热温度较低的原材料作为壳体5的原材料。
此外，至少一个陶瓷基板10具备多个陶瓷基板10，在散热部件14设置有间隔部17，该间隔部17配置于相邻的各陶瓷基板10之间，将凹部19分割为多个。
因此，通过在凹部19设置间隔部17，能够提高散热部件14的底壁部16的刚性，因此能够进一步抑制散热部件14的翘曲。
＜实施方式1的变形例＞
接下来，对实施方式1的变形例进行说明。图5的(a)是实施方式1的变形例1的功率模块202(6合1)的俯视图，图5的(b)是间隔部171的剖视图。
如图5的(a)所示，功率模块202具备间隔部171来代替间隔部17。间隔部171的上端(Z方向的端)的形状与间隔部17的上端(Z方向的端)的形状不同。
间隔部17的上下方向(Z轴方向)的厚度均匀，与此相对，间隔部171的与电极板63交叉的部分的上下方向(Z轴方向)的厚度形成得比其它部分的上下方向(Z轴方向)的厚度薄。具体而言，间隔部171的与电极板63交叉的部分的上端(Z方向的端)的高度位置(Z轴方向的位置)形成得比其它部分的上端(Z方向的端)的高度位置(Z轴方向的位置)低。
在此，间隔部171的与电极板63交叉的部分是指间隔部171的除延伸方向的两端部171a外的部分171b，其它部分是指间隔部171的延伸方向的两端部171a。
在实施方式1的变形例1中，电路形成部件以跨越相邻的各陶瓷基板10的方式配置，间隔部171的与电路形成部件交叉的部分的上下方向(Z方向)的厚度比其它部分的上下方向(Z方向)的厚度薄。
因此，通过在充分确保间隔部171与电极板63的绝缘距离的同时，使间隔部171的上下方向(Z方向)的厚度变薄的部分最小化为仅所需的部分，从而能够确保散热部件14的刚性。
图6是实施方式1的变形例2的功率模块202(6合1)的剖视图。图7是实施方式1的变形例2的功率模块202(6合1)的俯视图。另外，在图7中，为了易于观察附图而省略了密封树脂7。
在实施方式1中，使用电极板63、N侧电极板64以及P侧电极板65作为电路形成部件，但也可以如图6和图7所示，使用铝制的引线42作为电路形成部件。引线42的直径为0.4mm。
在该情况下，设置有N侧端子64a和P侧端子65a来代替N侧电极板64和P侧电极板65。此外，在配置于N侧的陶瓷基板10的正面导体层13形成有导体层131，该导体层131集中与IGBT21和二极管22的正面电极连接的引线42，导体层131与N侧端子64a使用引线42连接。此外，配置于P侧的陶瓷基板10的正面导体层13与P侧端子65a使用引线42连接。
在使用引线42形成了电路的情况下，即使所搭载的IGBT21和二极管22的形状或尺寸发生变化，也能够通过变更引线键合机(wire bonder)的程序来应对。此外，在使用引线42形成了电路的情况下，与使用电极板63、N侧电极板64以及P侧电极板65形成电路的情况相比较，接合部的应力较低，因此，也能够利用柔软的硅胶作为密封树脂7来密封电路形成部件。
＜实施方式2＞
接下来，对实施方式2的功率模块202进行说明。图8是实施方式2的功率模块202(6合1)的剖视图。图9是实施方式2的功率模块202(6合1)的俯视图。在图9中，为了易于观察附图而省略了密封树脂7。另外，在实施方式2中，对与在实施方式1中进行了说明的构成要素相同的构成要素标注相同的标号并省略说明。
如图8和图9所示，在实施方式2中，功率模块202具备间隔部51来代替间隔部17，间隔部51与壳体5一体地形成。具体而言，间隔部51形成为将壳体5的内部的前壁(-Y方向的壁)与后壁(Y方向的壁)的左右方向(X轴方向)的中央部彼此连接。
与实施方式1的变形例1的情况同样，为了同时确保间隔部51与电极板63的绝缘距离和间隔部51的刚性，间隔部51的与电极板63交叉的部分的上端(Z方向的端)的高度位置(Z轴方向的位置)形成得比其它部分的上端(Z方向的端)的高度位置(Z轴方向的位置)低。间隔部51的延伸方向的两端部的上端(Z方向的端)的高度位置(Z轴方向的位置)与壳体5的上端(Z方向的端)的高度位置(Z轴方向的位置)相同。
此外，三个电极板63分别与三个外部端子62一体化，并嵌件形成于壳体5。使用粘接剂(未图示)将壳体5粘接在散热部件14上，从而将间隔部51粘接在凹部19的底面。
如上所述，在实施方式2的功率模块202中，由于间隔部51与壳体5一体地形成，因此，壳体5的一部分作为散热部件14的凹部19的间隔件发挥功能，通过使用粘接剂(未图示)将壳体5粘接在散热部件14上，从而能够利用壳体5的一部分确保散热部件14的刚性。
＜实施方式2的变形例＞
图10是实施方式2的变形例的功率模块202(6合1)的剖视图。如图10所示，也可以将与壳体5一体地形成的间隔部51和与散热部件14一体地形成的间隔部17进行组合。具体而言，间隔部51形成于与图8和图9所示的间隔部51的延伸方向的两端部对应的部分，间隔部17形成于与图8和图9所示的间隔部51的除延伸方向的两端部外的部分对应的部分。通过使用粘接剂(未图示)将壳体5粘接在散热部件14上，从而将间隔部51与间隔部17粘接。在该情况下，也能够获得与实施方式2的情况同样的效果。
＜实施方式3＞
接下来，对实施方式3的功率模块202进行说明。图11是实施方式3的功率模块(6合1)的俯视图。在图11中，为了易于观察附图而省略了密封树脂7。另外，在实施方式3中，对与在实施方式1、实施方式2中进行了说明的构成要素相同的构成要素标注相同的标号并省略说明。
在实施方式1、实施方式2中，配置于N侧的陶瓷基板10为一个，此外，构成陶瓷基板10的正面导体层13形成有三个，但如图11所示，在实施方式3中，配置于N侧的陶瓷基板10以分别与U相电路、V相电路、W相电路对应的方式被分割为三个。具体而言，在N侧，三个陶瓷基板10在Y轴方向上排列配置。
在作为漏极共用正面导体层13的P侧，U相电路、V相电路、W相电路配置于一个陶瓷基板10。另一方面，在应对正面导体层13进行绝缘的N侧，U相电路、V相电路、W相电路分别配置于三个陶瓷基板10。
如上所述，在实施方式3的功率模块202中，电路形成部件包含N侧电极板64，IGBT21与二极管22以构成U相电路、V相电路、W相电路的方式连接，多个陶瓷基板10中的搭载有与N侧电极板64连接的IGBT21和二极管22的陶瓷基板10以分别与U相电路、V相电路、W相电路对应的方式被分割为三部分。
当陶瓷基板10的尺寸变大时，在陶瓷基板10和散热部件14产生的热应力也增加，但由于配置于N侧的各陶瓷基板10的X轴方向和Y轴方向的尺寸比配置于P侧的陶瓷基板10的X轴方向和Y轴方向的尺寸小，因此，与实施方式1、实施方式2的情况相比，能够降低在陶瓷基板10和散热部件14产生的热应力。由此，与实施方式1、实施方式2的情况相比，能够抑制散热部件14的翘曲。
＜实施方式1～3的变形例＞
在上述内容中，使用氮化铝作为陶瓷基板10的基材11的原材料，但即使使用氮化硅或氧化铝，也能够获得与上述的情况同样的效果。
在上述内容中，使用铜制的导体层作为背面导体层12和正面导体层13，但即使背面导体层12和正面导体层13为铝制，通过以利用镀镍等进行焊料浸润的方式对其表面进行改性，也能够获得与上述的情况同样的效果。
在上述内容中，使用铝合金作为散热部件14的原材料，但即使使用铜或铜合金，也能够获得与上述的情况同样的效果。
在上述内容中，使用硅制的IGBT和二极管作为IGBT21和二极管22，但即使使用碳化硅和氮化镓等宽带隙半导体制的IGBT和二极管，也能够获得与上述的情况同样的效果。
在上述内容中，使用含有率为锡96.5％、银3％、铜0.5％、熔点为217℃的焊料作为焊料30，但即使使用含有率为锡99.3％、铜0.7％、熔点为224℃的焊料、或含有率为锡95％、锑5％、熔点为240℃的焊料，也能够获得与上述的情况同样的效果。此外，即使将一部分置换为作为焊料以外的接合材料的银环氧粘接剂、银烧结材料或钎焊材料，也能够获得与上述的情况同样的效果。
在上述内容中，使用铝制的引线作为引线41，但即使使用微量含有铁等添加剂的铝合金制或铜制的引线，也能够获得与上述的情况同样的效果。
在上述内容中，使用PPS制的壳体作为壳体5，但也能够通过置换为LCP(LiquidCrystal Polymer，液晶聚合物)制的来提高耐热性。
在上述内容中，使用铜制的电极板作为各种电极板，但即使适当实施了镀镍、或者置换为铜合金制或镀镍铝制的电极板，也能够获得与上述的情况同样的效果。
在上述内容中，使用分散有二氧化硅填料的环氧树脂作为密封树脂7，但也可以是氧化铝等填料，即使使用在环氧树脂中混合了硅树脂的树脂，也能够获得与上述的情况同样的效果。此外，即使是仅利用硅树脂进行密封的方法，也能够获得与上述的情况同样的效果。
此外，在间隔部17中，至少延伸方向的两端部的上下方向(Z轴方向)的厚度优选与周壁部15的上下方向(Z轴方向)的厚度相同，但即使仅仅是稍厚，也具有增加刚性的效果。此外，如果用于接合的焊料30的上下方向(Z轴方向)的厚度为0.3mm以上，则具有抑制焊料30流出的效果。
在将背面导体层12的上下方向(Z轴方向)的厚度与基材11的上下方向(Z轴方向)的厚度相加而得到的值小于1.1mm的情况下，能够在作为陶瓷基板10的定位发挥功能的同时，在不会由于使背面导体层12与基材11重合而引起功率模块202的大型化的情况下抑制翘曲。
此外，存在配置不同规格或不同尺寸的陶瓷基板10的可能性，当在散热部件14难以形成间隔部17的情况下，在图3的(a)的钎焊工序中，也可以通过在相当于间隔部17的部分安装按压辅具来固定散热部件14并进行加热或冷却，来抑制翘曲并进行接合。即使当在散热部件14形成有间隔部17的情况下，用于抑制翘曲的按压辅具也被认为是有效的。
此外，对于实施方式2、实施方式2的变形例以及实施方式3，也可以如实施方式1的变形例2那样使用引线42作为电路形成部件。此外，在实施方式1的变形例1、实施方式2以及实施方式3的电极板63与外部端子62的接合时，也可以如图4的(c)那样使用导电性粘接剂31。
此外，对于实施方式3，也可以如实施方式1的变形例1那样设置间隔部171来代替间隔部17，也可以如实施方式2那样设置间隔部51来代替间隔部17。此外，对于实施方式3，也可以如实施方式2的变形例那样将间隔部51与间隔部17进行组合。
＜实施方式4＞
本实施方式将上述的实施方式1～3的功率模块应用于电力转换装置。实施方式1～3的功率模块的应用并不限于特定的电力转换装置，以下，作为实施方式4，对将实施方式1～3的功率模块应用于三相逆变器的情况进行说明。
图12是示出应用了实施方式4的电力转换装置的电力转换***的结构的框图。
图12所示的电力转换***由电源100、电力转换装置200、负载300构成。电源100是直流电源，向电力转换装置200供给直流电力。电源100可以由各种电源构成，例如，可以由直流***、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流***连接的整流电路或AC/DC转换器构成。此外，也可以由将从直流***输出的直流电力转换为规定的电力的DC/DC转换器构成电源100。
电力转换装置200是连接在电源100与负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，向负载300供给交流电力。如图12所示，电力转换装置200具备：主转换电路201，其将直流电力转换为交流电力并输出；以及控制电路203，其将对主转换电路201进行控制的控制信号输出至主转换电路201。
负载300是由从电力转换装置200供给的交流电力驱动的三相电动机。另外，负载300不限于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如作为面向混合动力汽车或电动汽车、铁路车辆、电梯或空调设备的电动机使用。
以下，对电力转换装置200的详细情况进行说明。主转换电路201具备开关元件(未图示)和续流二极管(未图示)，开关元件进行开关，从而将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，并供给到负载300。主转换电路201的具体的电路结构有各种结构，但本实施方式的主转换电路201是两电平三相全桥电路，可以由六个开关元件和与各个开关元件反向并联的六个续流二极管构成。主转换电路201的各开关元件和各续流二极管由相当于上述的实施方式1～3中的任意一方的功率模块202构成。六个开关元件按照每两个开关元件串联连接而构成上下臂，各上下臂构成全桥电路的各相(U相、V相、W相)。而且，各上下臂的输出端子、即主转换电路201的三个输出端子与负载300连接。
此外，主转换电路201具备驱动各开关元件的驱动电路(未图示)，驱动电路可以内置于功率模块202，也可以是与功率模块202分开地具备驱动电路的结构。驱动电路生成对主转换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，并供给到主转换电路201的开关元件的控制电极。具体而言，按照来自后述的控制电路203的控制信号，将使开关元件成为接通状态的驱动信号和使开关元件成为断开状态的驱动信号输出至各开关元件的控制电极。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是开关元件的阈值电压以上的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为开关元件的阈值电压以下的电压信号(断开信号)。
控制电路203对主转换电路201的开关元件进行控制，以向负载300供给期望的电力。具体而言，根据应该向负载300供给的电力，计算主转换电路201的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)。例如，能够通过根据应输出的电压对开关元件的接通时间进行调制的PWM控制，对主转换电路201进行控制。然后，对主转换电路201所具备的驱动电路输出控制指令(控制信号)，使得在各时刻接通信号被输出至应成为接通状态的开关元件，断开信号被输出至应成为断开状态的开关元件。驱动电路根据该控制信号，向各开关元件的控制电极输出接通信号或断开信号作为驱动信号。
在本实施方式的电力转换装置200中，应用实施方式1～3的功率模块202作为主转换电路201的开关元件和续流二极管，因此能够实现耐久性的提高。
在本实施方式中，对将实施方式1～3的功率模块202应用于两电平三相逆变器的例子进行了说明，但实施方式1～3的功率模块202的应用不限于此，能够应用于各种电力转换装置。在本实施方式中，设为两电平的电力转换装置，但也可以是三电平或多电平的电力转换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以将实施方式1～3的功率模块202应用于单相的逆变器。此外，在向直流负载等供给电力的情况下，也可以将实施方式1～3的功率模块202应用于DC/DC转换器或AC/DC转换器。
此外，应用了实施方式1～3的功率模块202的电力转换装置并不限于上述的负载为电动机的情况，例如，也可以用作放电加工机或激光加工机、或者感应加热烹调器或非接触供电***的电源装置，还可以用作太阳能发电***或蓄电***等的功率调节器。
对本公开详细地进行了说明，但上述的说明在所有方面均为示例，并不对本公开造成限定。可理解为可以设想出未例示的无数的变形例。
另外，能够对各实施方式进行自由组合、或者对各实施方式适当进行变形或省略。
标号说明
5：壳体；7：密封树脂；10：陶瓷基板；14：散热部件；15：周壁部；16：底壁部；17：间隔部；19：凹部；21：IGBT；22：二极管；30：焊料；31：导电性粘接剂；42：引线；51：间隔部；62：外部端子；63：电极板；64：N侧电极板；65：P侧电极板；171：间隔部；200：电力转换装置；201：主转换电路；202：功率模块；203：控制电路。
Claims (8)
1.一种功率模块，其中，所述功率模块具备：
散热部件，其具有周壁部和凹部，所述凹部形成于比所述周壁部靠内周侧的位置且向下方凹陷；
至少一个绝缘基板，其被接合到所述凹部内；
多个半导体元件，它们搭载于至少一个所述绝缘基板上；
壳体，其沿着所述周壁部的上端被固定，在内部填充有密封材料；以及
电路形成部件，其包含电极板，所述电极板分别将多个所述半导体元件之间、以及所述半导体元件与至少一个所述绝缘基板之间连接，
所述散热部件的所述周壁部的上下方向的厚度比形成所述凹部的底面的底壁部的上下方向的厚度厚。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
至少一个所述绝缘基板与所述散热部件利用熔点比所述壳体的耐热温度低的焊料接合。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其中，
所述电极板与形成于所述壳体的外部端子利用加热温度比所述焊料低的接合材料接合。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率模块，其中，
至少一个所述绝缘基板具备多个所述绝缘基板，
在所述散热部件设置有间隔部，该间隔部配置于相邻的各所述绝缘基板之间，将所述凹部分割为多个。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其中，
所述电路形成部件以跨越相邻的各所述绝缘基板的方式配置，
所述间隔部的与所述电路形成部件交叉的部分的上下方向的厚度比其它部分的上下方向的厚度薄。
6.根据权利要求4或5所述的功率模块，其中，
所述间隔部与所述壳体一体地形成。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的功率模块，其中，
所述电路形成部件包含N侧电极板，
多个所述半导体元件以构成U相电路、V相电路、W相电路的方式连接，
多个所述绝缘基板中的搭载有与所述N侧电极板连接的所述半导体元件的所述绝缘基板以与所述U相电路、V相电路、W相电路分别对应的方式被分割为三部分。
8.一种电力转换装置，其中，所述电力转换装置具备：
主转换电路，其具有权利要求1至7中的任一项所述的功率模块，对所输入的电力进行转换并输出；以及
控制电路，其将对所述主转换电路进行控制的控制信号输出至所述主转换电路。
Applications Claiming Priority (3)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (3)
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