功率半导体模块及其制造方法、电力变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于逆变器、伺服控制器、UPS(不间断电源)等的功率半导体模块及其制造方法、电力变换器。
【背景技术】
[0002]功率半导体模块被广泛地应用于从家用空调、冰箱等民用，到逆变器、伺服控制器等产业用的电力变换设备领域。
[0003]从电力消耗这一点出发，功率半导体模块被搭载于散热性优良的DCB(DirectCopper Bonding:直接铜键合)基板和/或金属基印制布线基板。在这些布线板上搭载一个或多个功率半导体元件等电路元件，粘接塑料壳体框架(树脂壳体)，并用硅胶和/或环氧树脂等封装材料进行封装。金属基印制布线基板为由电路图案用铜箔、树脂绝缘层和金属板构成的印制布线板中的一种，并在上表面形成电路图案。
[0004]另一方面，为了降低制造成本，还有利用传递模塑成型方式的全模(full mould)功率半导体模块。通常，电力变换器由使用了前述记载的功率半导体模块的主电路和其他电源电路和/或控制用的电路构成。电源电路和/或控制用的电路由IC (集成电路)、LSI (大规模集成电路)、电阻器、电容器、电抗器等各种部件构成，通常被安装于印制基板。
[0005]下面，对专利文献I记载的搭载了现有的功率半导体模块30的电力变换器进行说明。
[0006]图9是采用了现有的功率半导体模块30的电力变换器600的主要部分构成图。就电力变换器600而言，为了提高散热性，在散热器11(以下，也称为“冷却翅片”)上隔着未图示的散热膏(散热油脂)搭载功率半导体模块30，其中，功率半导体模块30搭载有构成主电路的功率半导体元件51。在该功率半导体模块30上，空出间隔地层叠配置搭载了电力变换器600中的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件60的印制基板40a、印制基板40b，并通过支撑柱70 (销等)固定于散热器11。然后，利用壳体50覆盖这些构成物整体。
[0007]此外，在专利文献2中，公开了如下构成的电力变换器:向在树脂基板形成有电路布线的布线基板的散热板插入孔埋入例如由铜构成的散热板(金属块)，并将在该散热板(金属块)的上表面利用焊料固定半导体芯片(功率半导体元件)而构成的半导体装置隔着设置在树脂基板和散热板(金属块)的各个背面的绝缘层搭载于散热器(heat sink)上而构成。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本特许第3791772号公报(图10)
[0011]专利文献2:日本特开2000-228466号公报
【发明内容】
[0012]技术问题
[0013]在前述图9所示的电力变换器600中，在散热器11上搭载的功率半导体模块30具备金属基印制布线基板20。该金属基印制布线基板20的结构为从散热器11侧依次层叠有金属底板、绝缘膜和电路图案，并在其电路图案上固定有功率半导体元件51。因此，在从功率半导体元件51到散热器11为止的散热路径之间存在多种材料(电路图案、绝缘膜、金属底板等)。因此，热阻变大，冷却特性也必然不充分，无法将功率半导体元件51中产生的热充分地释放到散热器11。
[0014]此外，在将功率半导体模块30安装到散热器11时，利用设置于树脂壳体31的外周部的安装孔32通过螺钉等固定。此时，在金属基印制布线基板20的金属底板33的中央附近与散热器11之间有时会产生缝隙34。因此，将散热膏(散热油脂)涂布到散热器11的接触面而固定功率半导体模块30，以通过散热膏填满金属基板33与散热器11之间的缝隙34，使接触热阻下降。
[0015]然而，如果在树脂壳体31的外周部进行螺钉固定，则由于紧固压力在功率半导体模块30与散热器11的整个接触面是不均匀的而偏向周边，所以即使在散热器11与金属底板33的接触面涂布散热膏，功率半导体模块30的中央部的热阻也会变大。这一现象随着功率半导体模块30的接触面积越大而变得越显著，并且为了提高散热性就需要大的散热器11，导致成本变高。
[0016]因此，以均匀的压力使功率半导体模块30与散热器11接触并且得到优良的散热性成为课题。应予说明，在专利文献2中也未示出这样的课题及应对该课题的构成。
[0017]本发明的目的在于解决前述课题，提供低成本且散热性优良的功率半导体模块及其制造方法和搭载了该功率半导体模块的电力变换器。
[0018]技术方案
[0019]为了实现前述目的，根据权利要求书的权利要求1所述的发明，功率半导体模块的构成为具备:金属板，具有带凸檐贯通孔；和带绝缘层金属块，在金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成有由陶瓷材料构成的绝缘层，其中，前述带绝缘层金属块以其上部侧与前述带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合于前述金属板的前述带凸檐贯通孔内，并且，在前述金属块的上表面的前述元件安装区域固定有功率半导体元件，前述功率半导体元件与隔着绝缘材料配置于前述金属板上的电路图案通过连接导体进行连接。
[0020]根据该权利要求1所述的发明，在将功率半导体模块固定于冷却用的散热器的状态下，能够使在其上表面固定有功率半导体元件的热容高、散热性优良的金属块的下表面隔着由陶瓷材料构成的绝缘层与散热器直接接触，因此，能够减小功率半导体元件下部的热阻，并由此能够使功率半导体模块的散热性提高。
[0021]此外，在金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成了由陶瓷材料构成的绝缘层的带绝缘层金属块以其上部侧与带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合于金属板的带凸檐贯通孔内。因此，在半导体模块通过经由金属板的周边部的安装孔的螺钉固定而固定于散热器的状态下，由于由螺钉固定产生的紧固压力通过高刚性的金属板传递，并从带凸檐贯通孔的凸檐传递到带绝缘层金属块的上部侧的外周部，所以带绝缘层金属块的底面被传递有均匀的压力。由此，由于在上部侧的元件安装区域固定了功率半导体元件的带绝缘层金属块的底面以均匀的充分大的压力与散热器接触，所以能够得到良好的散热性。
[0022]这样，根据权利要求1所述的发明，由于能够将功率半导体元件产生的热量进行有效地释放，所以能够使动作时的功率半导体元件的温度充分降低。其结果，由于可以将功率半导体元件自身的散热表面积设置得小，所以能够采用面积更小，且成本更低的功率半导体元件。
[0023]此外，由于能够将功率半导体元件的面积设置得更小，所以能够使搭载该功率半导体元件的带绝缘层金属块，进一步地，使嵌合该带绝缘层金属块于带凸檐贯通孔内的金属板更加小型化，由此，能够实现功率半导体模块的小型化和低成本化。
[0024]此外，根据权利要求书的权利要求2所述的发明，可选地，在权利要求1所述的发明中，前述带绝缘层金属块通过在上部具有凸状的阶梯部的金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成由陶瓷材料构成的绝缘层而形成，前述带绝缘层金属块以形成于前述阶梯部的底面的绝缘层与前述带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合于前述金属板的前述带凸檐贯通孔内。
[0025]根据该权利要求2所述的发明，使带绝缘层金属块中的金属块的构成为在上部具有凸状的阶梯部。在金属块的上部没有凸状的阶梯部的情况，虽然也取决于功率半导体元件和电路图案的厚度，但是只要与金属板的带凸檐贯通孔中的凸檐的厚度和夹在金属板与电路图案之间的绝缘材料的厚度的合计厚度为相同程度，就会产生功率半导体元件的上表面比电路图案的上表面低的状态。对于此，在权利要求2所述的发明中，由于在金属块的上部的凸状的阶梯部中的底面形成的绝缘层与带凸檐贯通孔的凸檐的下表面抵接，并且在比上述阶梯部中的底面向上方突出的金属块的上表面固定有功率半导体元件，所以能够使功率半导体元件的上表面的高度更接近电路图案的上表面的高度，由此，能够使功率半导体元件与电路图案的通过铝线等的连接导体进行的连接作业更容易。
[0026]此外，根据权利要求书的权利要求3所述的发明，可选地，在权利要求1或2所述的发明中，前述带绝缘层金属块的底面从前述金属板的背面突出。
[0027]根据该权利要求3所述的发明，通过使带绝缘层金属块的底面从金属板的背面突出，即使在隔着绝缘材料配置电路图案的金属板的面积变大的情况下，也能够在将半导体模块通过经由金属板的周边部的安装孔的螺钉固定而固定于散热器的状态下，使带绝缘层金属块的底面以均匀的充分大的压力与散热器接触，因此，能够可靠地得到良好的散热性。
[0028]此外，根据权利要求书的权利要求4所述的发明，可选地，在权利要求1?3中任一项所述的发明中，前述绝缘层的厚度为50 μ m以上且2000 μ m以下。
[0029]此外，根据权利要求书的权利要求5所述的发明，可选地，在权利要求1?4中任一项所述的发明中，前述绝缘层为由选自填料组中的至少一种材料构成的陶瓷层，所述填料组由氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氮化硼构成。
[0030]此外，根据权利要求书的权利要求6所述的发明，可选地，在权利要求5所述的发明中，前述绝缘层通过使用等离子喷涂法使由选自前述填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成。
[0031]此外，根据权利要求书的权利要求7所述的发明，可选地，在权利要求5所述的发明中，前述绝缘层通过使用气溶胶沉积法使由选自前述填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成。
[0032]此外，根据权利要求书的权利要求8所述的发明，可选地，在权利要求1?7中任一项所述的发明中，前述电路图案为固定于前述金属板上的印制基板的电路图案，并且在该电路图案上固定有电子部件。
[0033]此外，根据权利要求书的权利要求9所述的发明，可选地，在权