功率模块以及电力变换装置的制作方法

本发明涉及使功率模块的散热性提高，并且通过应力的降低而使可靠性提高的技术。
背景技术：
：当前，作为铁道车辆用功率模块的基座板，在机械特性上，大多使用alsic。作为该功率模块的构造，主要是将绝缘基板与基座板进行焊料接合的构造。为了使功率模块的散热性显著提高，需要对功率模块所使用的部件进行变更。作为铁道车辆用功率模块的构造，采用将绝缘基板与基座板进行焊料接合的构造，因此对基座板的翘曲进行控制变得重要。其原因在于，在将基座板的材质从alsic变更为铜或者铝等金属材料的情况下，基座板的线膨胀系数从7×10-6/℃变为大于或等于15×10-6/℃，即变为2倍以上，由于基座板与封装树脂的线膨胀系数的差异而产生的应力变大。如果应力变大，则基座板翘曲成凹状，该翘曲量变大，因此存在功率模块的可靠性和散热性下降的问题。作为降低上述应力的技术，在例如专利文献1中，公开了在基座板的配置绝缘基板的位置的外周部设置了槽的结构。由此，使对绝缘基板的端部施加的应力分散。专利文献1：日本特开2016－195224号公报但是，在专利文献1所记载的技术中，虽然在基座板的配置绝缘基板的位置的外周部设置有槽，但绝缘基板配置于基座板的呈底座形状的部分，另外，作为基座板整体来说是平板状。因此，基座板翘曲成凹状，该翘曲量变大，所以存在功率模块的可靠性和散热性下降的问题。技术实现要素：因此，本发明的目的在于提供能够实现功率模块的可靠性和散热性的提高的技术。本发明涉及的功率模块具备：凹状的基座板，其具有谷部；至少1个绝缘基板，其配置于所述基座板的所述谷部；至少1个半导体芯片，其搭载于至少1个所述绝缘基板之上；以及封装树脂，其对所述基座板的所述谷部侧的面、至少1个所述绝缘基板以及至少1个所述半导体芯片进行封装。发明的效果根据本发明，能够将基座板的翘曲改善为凸状，因此翘曲量不易变大。由此，能够实现功率模块的可靠性和散热性的提高。附图说明图1是实施方式1涉及的功率模块的剖面图。图2是实施方式1的变形例涉及的功率模块的剖面图。图3是实施方式2涉及的功率模块的剖面图。图4是实施方式3涉及的功率模块的剖面图。图5是实施方式4涉及的功率模块的剖面图。图6是表示电力变换系统的结构的框图，在该电力变换系统中应用了实施方式5涉及的电力变换装置。标号的说明1基座板，1a底面，1b侧面，4绝缘基板，5半导体芯片，7封装树脂，9谷部，11槽，12壁部，201主变换电路，202、202a、202b、202c、202d功率模块，203控制电路。具体实施方式＜实施方式1＞下面，使用附图对本发明的实施方式1进行说明。图1是实施方式1涉及的功率模块202的剖面图。图2是实施方式1的变形例涉及的功率模块202a的剖面图。如图1所示，功率模块202例如是铁道车辆用半导体装置。功率模块202具有基座板1、绝缘基板4、半导体芯片5、以及封装树脂7。基座板1是具有谷部9的凹状。谷部9具有底面1a和包围底面1a的侧面1b。凹状的基座板1例如是通过对以铜作为材质的长方体状的基座板进行切削加工、或者使用模具等实施冲压加工而形成的。绝缘基板4隔着焊料8而配置在基座板1的谷部9。绝缘基板4具有陶瓷基板2、以及分别在陶瓷基板2的上表面和下表面形成的金属图案3a、3b。陶瓷基板2也可以是由陶瓷以外的绝缘性材料构成的基板。另外，金属图案3a、3b也可以构成电路图案。此外，如图2所示，功率模块202a也可以进一步具有壳体10。壳体10通过嵌合等方法而固定在基座板1的外周部的上端。半导体芯片5搭载于绝缘基板4的上表面。更具体而言，半导体芯片5隔着焊料5a而搭载在金属图案3a的上表面。半导体芯片5与金属图案3a经由导线6而连接。封装树脂7是环氧树脂，对基座板1的谷部9侧的面、绝缘基板4、以及半导体芯片5进行封装。封装树脂7的线膨胀系数大于或等于13×10-6/℃。基座板1的谷部9的深度大于或等于绝缘基板4的厚度的一半、且大于或等于基座板1的厚度的1/4。绝缘基板4的侧方被基座板1的外周部包围，从而存在于绝缘基板4的侧方的封装树脂7变少，因此能够降低向绝缘基板4以及焊料8的应力。这里，基座板1的厚度为从基座板1的外周部的上端至下端的厚度。此外，优选基座板1的谷部9的深度大于或等于1mm。接下来，一边与采用了通常使用的平板状的基座板的情况进行比较，一边对功率模块202的作用效果进行说明。为了进行通过封装树脂7实现的封装，通过工具等进行封装树脂7的定形。作为通过工具进行的定形的方法，想到通过传递模塑等实现的工艺。在将平板状的基座板与绝缘基板4进行焊接，通过封装树脂7进行封装的情况下，由于基座板的翘曲成为凹状，该翘曲量也变大，因此作为制品来说并不合格。[表1]平板状基座板凹状基座板基座板的翘曲量-0.81mm+0.08mm陶瓷部的应力430mpa204mpa焊料接合部的应力500mpa224mpa本申请的发明人通过模拟进行了解析，如表1所示，平板状的基座板的翘曲为-0.81mm，即，基座板向成为凹状的方向翘曲0.81mm。该情况下的陶瓷部的应力为430mpa、焊料接合部的应力为500mpa。表1是通过模拟而得到的解析结果。此外，陶瓷部是绝缘基板4，焊料接合部是焊料8。因此，通过采用具有谷部9的凹状的基座板1，从而在通过封装树脂7进行封装时，能够使基座板1的变动变大，能够将基座板1的底部的翘曲改善为凸状。如表1所示，凹状的基座板1的翘曲为+0.08mm，即，基座板1向成为凸状的方向翘曲0.08mm。该情况下的陶瓷部的应力为204mpa，焊料接合部的应力为224mpa。如上述所示，可知在采用凹状的基座板1的情况下，与采用平板状的基座板的情况相比较，基座板1翘曲成凸状，该翘曲量变小，陶瓷部和焊料接合部的应力一起降低。在绝缘基板4配置于基座板1的谷部9的状态下，绝缘基板4的上表面位于基座板1的上表面的高度以下的情况下，存在于绝缘基板4的侧方的封装树脂7变少，能够降低向绝缘基板4以及焊料8的应力。另外，由于从基座板1的底部至绝缘基板4的高度位置变低，因此能够使功率模块202的组装后的高度位置也降低，因此能够为功率模块202的小型化做贡献。通常，作为环氧树脂的封装树脂7通过高温而进行硬化。在硬化之后返回常温时，由于封装树脂7冷却时的线膨胀差，基座板1的翘曲向凸侧变动。因此，封装树脂7的线膨胀系数越大，使基座板1的翘曲返回的力越大，通过与基座板1的厚度以及谷部9的深度相匹配地对封装树脂7的线膨胀系数进行调整，从而能够进行基座板1的翘曲的控制。如以上所述，实施方式1涉及的功率模块202具备：凹状的基座板1，其具有谷部9；绝缘基板4，其配置于基座板1的谷部9；半导体芯片5，其搭载于绝缘基板4之上；以及封装树脂7，其对基座板1的谷部9侧的面、绝缘基板4以及半导体芯片5进行封装。因此，能够将基座板1的翘曲改善为凸状，所以翘曲量不易变大。由此，能够实现功率模块202的可靠性和散热性的提高。由于基座板1的谷部9的深度大于或等于绝缘基板4的厚度的一半、且大于或等于基座板1的厚度的1/4，因此存在于绝缘基板4的侧方的封装树脂7的量降低。由此，能够降低向绝缘基板4以及焊料8的应力。由于基座板1的材质是铜，因此能够改善功率模块202的散热特性。由于封装树脂7的线膨胀系数为大于或等于13×10-6/℃，因此能够在封装树脂7硬化之后返回常温时，使基座板1的翘曲向成为凸状的方向返回的力变大，将基座板1的翘曲改善为凸状。另外，封装树脂7的线膨胀系数越大，将基座板1的翘曲改善为凸状的效果越大。＜实施方式2＞接下来，对实施方式2涉及的功率模块202b进行说明。图3是实施方式2涉及的功率模块202b的剖面图。此外，在实施方式2中，对与在实施方式1中说明的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。如图3所示，功率模块202b还具有在基座板1的外周部形成的槽11。槽11形成在基座板1的上端部，且是遍及外周部整体而形成的。即，槽11形成在基座板1的与配置绝缘基板4的位置不同的位置。功率模块202b由于还具有在基座板1的外周部形成的槽11，因此基座板1与封装树脂7的粘接面积增加，所以能够实现粘接强度的提高。另外，通过设置槽11，从而从外部至半导体芯片5的水分以及腐蚀气体等的侵入路径变长，能够期待功率模块202b的可靠性的提高。另外，由于将槽11设得越深，侵入路径越进一步变长，因此功率模块202b对于水分以及腐蚀气体等的耐性进一步增强。＜实施方式3＞接下来，对实施方式3涉及的功率模块202c进行说明。图4是实施方式3涉及的功率模块202c的剖面图。此外，在实施方式3中，对与在实施方式1、2中说明的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。如图4所示，就功率模块202c而言，谷部9的侧面1b是上端侧向外周侧倾斜的锥形状。即，基座板1的外周部是上端侧前端变细的锥形状。在实施方式3中，关于基座板1的制造，设想的是使用模具等实施冲压加工。通过将谷部9的侧面1b设置为上端侧向外周侧倾斜的锥形状，从而提高在冲压加工之后将基座板1从模具脱模时的脱模性，因此能够使基座板1的生产率提高，进而能够使功率模块202c的生产率提高。另外，在通过封装树脂7进行封装时，即使在封装树脂7的粘度高的情况下，也会得到在封装树脂7到达谷部9的侧面1b时不易产生气泡的效果。＜实施方式4＞接下来，对实施方式4涉及的功率模块202d进行说明。图5是实施方式4涉及的功率模块202d的剖面图。此外，在实施方式4中，对与在实施方式1～3中说明的结构要素相同的结构要素标注相同标号而省略说明。如图5所示，功率模块202d具有2个绝缘基板4、2个半导体芯片5、以及凸状的壁部12。此外，绝缘基板4以及半导体芯片5只要都是多个即可，也可以具有大于或等于3个。壁部12例如与基座板1相同是铜制的，配置在谷部9的底面1a处的相邻的绝缘基板4之间。壁部12的上端的高度位置与各绝缘基板4的上端的高度位置相同或者比各绝缘基板4的上端的高度位置低。其原因在于，在绝缘基板4彼此通过导线6而进行配线时，确保导线6与基座板1之间的绝缘距离。在本实施方式4中，通过设置壁部12，从而能够使存在于相邻的绝缘基板4之间的封装树脂7的量减少，因此能够进一步降低对绝缘基板4以及焊料8的应力。＜实施方式5＞本实施方式是将上述实施方式1所涉及的功率模块202应用于电力变换装置。本发明不限定于特定的电力变换装置，但以下，作为实施方式5，对将本发明应用于三相逆变器的情况进行说明。图6是表示电力变换系统的结构的框图，在该电力变换系统中应用了实施方式5涉及的电力变换装置。图6所示的电力变换系统由电源100、电力变换装置200、负载300构成。电源100是直流电源，向电力变换装置200供给直流电力。电源100能够由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路或ac/dc转换器构成。另外，也可以使电源100由将从直流系统输出的直流电力变换为规定的电力的dc/dc转换器构成。电力变换装置200是连接在电源100和负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给的直流电力变换为交流电力，向负载300供给交流电力。电力变换装置200如图6所示，具备：主变换电路201，其将直流电力变换为交流电力而输出；以及控制电路203，其将对主变换电路201进行控制的控制信号向主变换电路201输出。负载300是由从电力变换装置200供给的交流电力进行驱动的三相电动机。此外，负载300不限定于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁道车辆、电梯或者空调设备的电动机。以下，对电力变换装置200的详细结构进行说明。主变换电路201具备开关元件和续流二极管(图示省略)，通过开关元件进行通断，从而将从电源100供给的直流电力变换为交流电力，向负载300供给。主变换电路201的具体的电路结构存在各种结构，但本实施方式涉及的主变换电路201是两电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和与各个开关元件逆并联的6个续流二极管构成。主变换电路201的各开关元件和各续流二极管由与上述实施方式1～4中的任意者相当的功率模块构成。此外，这里对由实施方式1涉及的功率模块202构成的情况进行说明。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的各相(u相、v相、w相)。并且，各上下桥臂的输出端子即主变换电路201的3个输出端子与负载300连接。另外，主变换电路201具备对各开关元件进行驱动的驱动电路(图示省略)，但驱动电路既可以内置于半导体模块202，也可以是独立于半导体模块202而另外具有驱动电路的结构。驱动电路生成对主变换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主变换电路201的开关元件的控制电极。具体地说，按照来自后述的控制电路203的控制信号，向各开关元件的控制电极输出将开关元件设为接通状态的驱动信号和将开关元件设为断开状态的驱动信号。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。控制电路203对主变换电路201的开关元件进行控制，以向负载300供给期望的电力。具体地说，基于应向负载300供给的电力，对主变换电路201的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应输出的电压相对应地对开关元件的接通时间进行调制的pwm控制，对主变换电路201进行控制。并且，向主变换电路201所具备的驱动电路输出控制指令(控制信号)，以在各时刻向应成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路按照该控制信号，将接通信号或者断开信号作为驱动信号而向各开关元件的控制电极输出。在本实施方式涉及的电力变换装置中，作为主变换电路201的开关元件和续流二极管而应用实施方式1涉及的半导体模块202，因此能够实现可靠性提高。在本实施方式中，对在两电平的三相逆变器应用本发明的例子进行了说明，但本发明不限定于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式中，采用了两电平的电力变换装置，但也可以是三电平或多电平的电力变换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以向单相逆变器应用本发明。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能够向dc/dc转换器或ac/dc转换器应用本发明。另外，应用了本发明的电力变换装置不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，还能够用作放电加工机、激光加工机、感应加热烹调器、以及非接触器供电系统的电源装置，并且也能够用作太阳能发电系统以及蓄电系统等的功率调节器。此外，本发明能够在本发明的范围内对各实施方式自由地进行组合，对各实施方式适当地进行变形、省略。当前第1页12