半导体电力变换装置及其制造方法

专利名称：半导体电力变换装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体电力变换装置及其制造方法，特别是涉及将汇流条 和半导体元件直接接合的构造的半导体电力变换装置及其制造方法。
背景技术：
日本专利文献特开2006-262664号公报、特开2004-364427号公报、 特开2004-040877号公报、特开2005-261035号公报以及特开2006-074918
号公报等公开了在马达一体型的变换器等电力变换装置中通过汇流条对构 成电力变换装置的半导体元件的电极和其他电路元件进行电连接的构造。
特别是日本专利文献特开2006-262664号公报公开了如下构造，其作 为应用于驱动混合动力汽车的马达等的电力变换装置，对通过半导体装置 和汇流条构成的变换器装置等构造体从上下两面通过绝缘膜来进行分层处 理，由此将多个半导体装置和电路一并地绝缘。特别是在日本专利文献特 开2006-262664号公报所公开的构造中，半导体元件的电极与汇流条在不 经由接合线的状态下被直接地接合。另外，日本专利文献特开2004-364427号公报公开了将汇流条与半导体元件的两个表面相接合来确保电连 接的构造。
但在如日本专利文献特开2006-262664号公报和特开2004-364427号 公报所公开的那样地直接接合半导体元件的电极和汇流条的结构中，由于 汇流条随着电流通过或从半导体元件吸热引起的温度上升而进行热膨胀， 由此在接合部位上作用热应力。在变换器等中，如果考虑到汇流条与多个 半导体元件连接因而温度上升比较大的情况、以及对于以车辆安装用途等 为代表的高输出的电力变换装置的小型化要求，则谋求一种即使在温度上 升时也能够稳定地确保半导体元件的电极与汇流条之间的电接合的配线连 接构造。

发明内容
本发明是为了解决上述问题而完成的，本发明的目的在于提供一种半 导体电力变换装置及其制造方法，所述半导体电力变换装置具有将半导体 元件的电极和汇流条之间直接地电接合并且即使在温度上升时也能够稳定 地接合的配线连接构造。
本发明的半导体电力变换装置包括用于进行电力变换的半导体元 件；以及用于将半导体元件的电极和该半导体元件的外部的电路元件之间 电连接的汇流条。汇流条被构成为与电极接合的接合部件以及不与电极 接合的非接合部件被一体成形，并且所述汇流条具有热应力减轻机构，该 热应力减轻机构用于减轻作用在与电极接合的接合部位上的热应力，所述 接合部位由所述接合部件的一部分构成。
根据上述半导体电力变换装置，通过被一体成形的汇流条将半导体元 件的电极与汇流条之间直接地电接合，并且能够降低接合部位的汇流条的 热膨胀量而缓和作用在该接合部位上的热应力，因此即使在温度上升时也 能够稳定地接合汇流条与电极。
优选的是，接合部件通过被形成为使得至少接合部位的壁厚比非接合 部件薄来构成热应力减轻机构。
通过如上述那样地构成，能够通过降低温度上升时的与电极接合的接 合部位的热膨胀量来降低作用在该接合部位上的热应力。
在接合部件中，在不与电极接合的非接合部位的至少一部分上具有被 构成能够根据作用在接合部位上的热应力进行位移的形状的部位来作为热 应力减轻机构。
通过如上述那样地构成，能够在温度上升时通过接合部件的位移来释 放作用在与电极接合的接合部位上的热应力，因而能够减小作用在该接合 部位上的热应力。
或者优选的是，接合部件具有壁厚比非接合部件的壁厚薄的形状，并 且在不与电极接合的非接合部位的至少一部分上，具有被构成能够根据作 用在接合部件上的热应力进行位移的形状的部位，由此构成热应力减轻机构。
通过如上述那样地构成，能够降低温度上升时的与电极接合的接合部 位的热膨胀量，并通过接合部位的位移来释放作用在与电极接合的接合部 位上的热应力，因而能够降低作用在该接合部位上的热应力。
优选的是，非接合部件具有与电路元件电接合的部分，接合部件被以 从非接合部件分支的形状进行设置。
由此，能够在不使形状复杂化的状态下实现上述汇流条。
另外，优选的是，半导体电力变换装置还包括固定支柱，用于安装 非接合部件；以及电路基板，经由非接合部件而安装在固定支柱上。固定 支柱通过绝缘材料形成。非接合部件在其与固定支柱的安装面的背面上具 有与非接合部件一体地设置的突出部。电路基板包括与所述突出部相嵌合 的安装孔和导电部。导电部被构成为通过将突出部与安装孔接合来确保非 接合部件与电路基板上的电路元件之间的电连接。
根据上述半导体电力变换装置，通过在汇流条上设置突出部来使电路 基板的安装作业时的对位容易而提高作业性。其结果是，能够提高单位时 间的处理个数，因而能够实现制造成本的降低。
或者优选的是，汇流条包括第一保护膜和第二保护膜。第一保护膜通 过绝缘材料来覆盖不与电极接合的非接合部位的表面而成。第二保护膜通 过在与电极接合的状态下对在与电极接合的接合部位的表面上被形成为覆 膜的绝缘材料进行热硬化处理而形成。
另外，优选的是，汇流条还包括通过在与电极接合的状态下在接合 部件和非接合部件的表面上被形成为覆膜的绝缘材料进行热硬化处理而形 成的保护膜。
根据上述半导体电力变换装置，通过避免使用焊线接合减小了对半导 体元件和汇流条的结合部位而言需要绝缘保护的体积，由此能够在减少使 用的绝缘材料的量的基础上从强度方面和绝缘方面这两方面确切地保护该 接合部位。
优选的是，半导体元件被构成使得根据控制电极的电位或电流来控制 第一电流电极与第二电流电极间的电流。并且，汇流条电连接控制电极和电路元件电连接。或者，汇流条将第一电流电极和第二电流电极与电路元 件电连接。
根据上述半导体电力变换装置，能够在对半导体元件的控制电极(代 表的是栅极)和电流电极(代表的是集电极和发射极)的任一者进行缓和 而防止断线故障的基础上，在不经由接合线的状态下将半导体元件的电极 与汇流条之间电接合。
优选的是，汇流条以共用方式与多个半导体元件的电极电连接。 根据上述半导体电力变换装置，即使是与多个半导体元件连接而容易 发生温度上升的汇流条，也能够在缓和接合部位的热应力来防止断线故障 的基础上，在不经由接合线的状态下将半导体元件的电极与汇流条之间直 接地接合。
本发明的半导体电力变换装置的制造方法包括第一工序和第二工序。 在第一工序中，将汇流条与半导体元件的电极之间电连接，汇流条被构成 为与半导体元件的电极接合的接合部件和不与电极接合的非接合部件被
一体地成形，且接合部件具有用于减轻作用在与电极接合的接合部位上的 热应力的热应力减轻机构。在第二工序中，用于至少在通过第一工序形成 的汇流条和电极的接合部位上形成绝缘保护膜。
根据上述半导体电力变换装置的制造方法，能够通过一体形成的汇流 条将半导体元件的电极与汇流条之间直接地电连接，并且降低接合部位的 汇流条的热膨胀量而缓和作用在该接合部位上的热应力。其结果是，能够 防止在半导体元件和汇流条之间发生断线故障。
优选的是，在第一工序之前的阶段，在汇流条中的不与电极接合的非 接合部位的表面上预先设置通过由绝缘材料覆盖该表面而成的保护膜，第 二工序包括第一子工序，在绝缘材料与电极接合的状态下，在与电极间 的接合部位的表面上将绝缘材料形成覆膜；以及第二子工序，对通过第一 子工序形成的覆膜进行热硬化处理来形成所述绝缘保护膜。另外，优选的 是，第一子工序通过喷射来涂敷溶胶状的绝缘树脂，而在接合部位的表面 将绝缘材料形成覆膜。
另外，优选的是，第二工序包括第一子工序，通过填充溶胶状的绝缘材料来浸渍半导体材料和汇流条；第二子工序，排出并回收绝缘材料， 使得在汇流条的接合部件和非接合部件的表面上留有绝缘材料的覆膜；以 及第三子工序，对通过第二子工序形成的绝缘材料的覆膜进行热硬化处理 来形成绝缘保护膜。
根据上述半导体电力变换装置，减小了半导体元件和汇流条的结合部 位所需要绝缘保护的体积，由此能够在减少使用的绝缘材料的量的基础上 从强度方面和绝缘方面的双方面确切地保护该接合部位。
或者优选的是，在第一工序中，非接合部件被安装在通过绝缘材料形 成的固定支柱上，制造方法还包括经由非接合部件将电路基板安装在固定 支柱上的第三工序。并且，第三工序包括第一子工序和第二子工序。第一 子工序将与非接合部件被一体地设置在非接合部件的与固定支柱间的安装 面的背面上的突出部与设置在电路基板上的安装孔嵌合。第二子工序将被 设置在安装孔的侧面上并与电路基板上的电路元件电连接的导电部与突出 部接合，而将导电部与突出部之间电连接。
根据上述半导体电力变换装置，使电路基板安装时的对位容易而提高 了第三工序的操作性。其结果是，能够使单位时间的处理个数增加因而能 够实现制造成本的降低。
因此，根据本发明的半导体电力变换装置及其制造方法，能够将半导 体元件的电极与汇流条之间直接地电接合，并且即使在温度上升时也能够 将两者稳定地接合。


图1是说明本发明的实施方式的半导体电力变换装置的构成例的电路
图2是说明相对于各个桥臂的半导体元件的汇流条连接的电路图； 图3是说明本实施方式的半导体电力变换装置的半导体元件和汇流条 的连接构造的俯视图4是图3的IV-IV截面图； 图5是图3的V-V截面10图6是图3的VI-VI截面图7是说明针对半导体电力变换装置的电路基板的安装的概念图； 图8是说明本发明的实施方式的半导体电力变换装置的制造工序的流 程图9是详细说明信号电路基板安装工序的流程图； 图IO是说明绝缘保护膜形成工序的第一例的流程图； 图11是说明绝缘保护膜形成工序的第一例的绝缘材料的涂覆作业的 概念图12是示出通过图11的作业形成的绝缘保护膜的图； 图13是说明绝缘保护膜形成工序的第二例的流程图； 图14是说明绝缘保护膜形成工序的第二例的概念图； 图15是示出通过图14的作业形成的绝缘保护膜的图16是说明本实施方式的半导体电力变换装置的汇流条形状的变形 例的第一图17是说明本实施方式的半导体电力变换装置的汇流条形状的变形 例的第二图。
具体实施例方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细的说明。以下，对附图 中相同部分或者相当部分标注相同标号，原则上不再重复对其进行说明。 图1是说明本发明的实施方式的半导体电力变换装置的构成例的电路图。
参考图1，被作为本发明的实施方式的半导体电力变换装置的代表例 示出的变换器100是在直流电源20的直流电压与旋转电机Ml的各相的交 流电压之间进行电力变换的电力变换装置。在变换器100的直流电压侧连 接有用于除去直流电压的纹波成分的平滑电容器30。
直流电源20由电池或双电层电容器等能够充电的蓄电装置构成。直 流电源20的正极与正侧电缆21连接。另一方面，直流电源20的负极与相 当于接地配线的负侧电缆22连接。旋转电机Ml由三相交流同步电动机或三相感应电动机等构成，分别
从变换器100接受交流电力来产生旋转驱动力。另外，旋转电机Ml也可 被作为发电机使用，由减速时的发电(再生发电)产生的发电电力被变换 器100变换为直流电压并通过平滑电容器30进行平滑，从而能够用于对 直流电源20进行充电。
变换器100是通过电力用半导体开关元件Q1 Q6构成的三相变换 器。在本发明的实施方式中，电力用半导体开关元件例如通过IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)构成，但也能够使 用场效应晶体管和MOS晶体管等其他的电力用半导体开关元件。以下， 将电力用半导体开关元件简称为晶体管。
变换器100包括并联连接在正极汇流条170和负极汇流条171之间的 U相桥臂102、 V相桥臂104以及W相桥臂106。 U相桥臂102包括串联 连接在正极汇流条170和负极汇流条171之间的晶体管Ql、 Q2。同样 地，V相桥臂104包括串联连接在正极汇流条170和负极汇流条171之间 的晶体管Q3、 Q4， W相桥臂106包括串联连接在正极汇流条170和负极 汇流条171之间的晶体管Q5、 Q6。
正极汇流条170和负极汇流条171通过连接接头60与正侧电缆21和 负侧电缆22电连接。
在各相桥臂中，被串联连接着的上侧桥臂和下侧桥臂的晶体管彼此之 间的连接点与旋转电机Ml的各相绕组的各相端电连接。具体而言，U相 桥臂102、 V相桥臂104以及W相桥臂106的连接点通过输出汇流条 174、 176以及178而经由连接接头70与U相绕组、V相绕组以及W相绕 组的一端分别电连接。旋转电机Ml的各相绕组的另一端在中性点Nl处 互相电连接。
晶体管Q1 Q6的通过电流被输出汇流条172、 174、 176取出作为各 相电流，并在旋转电机Ml的各相绕组之间传递。在输出汇流条172、 174、 176中设置有电流传感器118，检测到的各相电流被传送给控制电路 40。
以与晶体管Q1 Q6分别对应的方式设置驱动控制电路DC1 DC6。驱动控制电路DC1 DC6分别响应通过信号生成电路50生成的开关控制 信号S1 S6来控制对应的晶体管Q1 Q6的开/关。另外，以与晶体管 Q1 Q6并列的方式分别设置用于使反向电流通过的反并列二极管Dl D6。
控制电路40控制半导体电力变换装置(变换器)IOO的动作。具体而 言，控制电路40将旋转电机M1的扭矩指令值、各相电流值以及针对变换 器100的输入电压(即直流电源20的输出电压)作为输入，基于公知的 PWM (Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)控制等来计算针对旋转电 机M1的各相绕组的施加电压，并将该计算结果输出给信号生成电路50。
信号生成电路50从控制电路40接受各相绕组的电压计算结果，生成 作为控制晶体管Q1 Q6的开/关的PWM控制信号的开关控制信号Sl S6。开关控制信号S1 S6被分别传送给驱动控制电路DC1 DC6。
还可以在比平滑电容器30更靠近直流电源20的那侧配置进行直流电 压转换的转换器(未图示)。如果设置为上述的结构，则能够通过控制该 转换器的动作而可变地控制变换器100的直流侧电压，使得施加给旋转电 机Ml的交流电压振幅按照旋转电机Ml的运转区域而成为最优电位。具 体而言，控制电路40将上述的扭矩指令值和马达转速作为输入，来计算 变换器100的直流侧电压(输入电压)的最优值(目标值)。另外，控制 电路40生成用于指示为了实现该输入电压所需要的转换器的开关动作的 控制信号。
图2是说明与各个桥臂的半导体元件相对的汇流条连接的电路图。
参考图2，作为"半导体元件"，在各桥臂中代表性地设置了通过 IGBT构成的晶体管Q (其是对晶体管Q1 Q6或未图示的转换器中的晶 体管进行总括性的标注的标号)和二极管D (其是对反并联二极管Dl D6或未图示的转换器中的二极管进行总括性的标注的标号)。
作为电极，晶体管Q具有电流电极(主电极)150、 152和控制电极 154，该晶体管Q被构成为根据控制电极154的电位或电流来控制电流电 极150、 152间的通过电流。
控制电极154在IGBT和MOS晶体管中相当于栅极，在场效应晶体管
13中相当于基极。另外，电流电极150、 152在IGBT和场效应晶体管中相当 于集电极、发射极，在MOS晶体管中对应于漏极、源极。作为电极，二 极管D具有阳极162和阴极164。
例如，晶体管Q具有电流电极150、 152被分别形成在半导体芯片的 相对的一对面(主电极面)上的纵型晶体管构造。并且，在主电极面任一 面的表面上形成控制电极154。控制电极154的电位或电流通过驱动控制 电路DC (其是总括地标注驱动控制电路DC1 DC6的标号)来驱动。另 外，与该驱动配线(未图示)并联设置有信号配线(未图示)，所述信号 配线将设置在驱动控制电路DC和晶体管上的各种传感器/电路之间电连 接。上述驱动配线和信号配线通过汇流条200c构成。
另外，晶体管Q的电流电极(以下也称为晶体管电极)150和二极管 D的阴极(以下也称为二极管电极)164与汇流条200a连接。二极管D的 阳极162与晶体管Q的电流电极152被设置为共用的电极(以下也称为共 用电极152)而与汇流条200b连接。汇流条200a、 200b分别对应于图1 所示的正极汇流条170、负极汇流条171以及输出汇流条172、 174、 176 中的某一个。
艮口，半导体元件(晶体管Q和二极管D)的各个电极通过由铜、铝等 导体构成的汇流条200a、 200b、 200c与作为半导体元件外部的电路元件的 正侧电缆21 (直流电源的正极)、负侧电缆22 (直流电源的负极)、旋 转电机Ml的各相绕组巻线、驱动控制电路DC等而被电连接。以下，为 了与随着电力转换而有电流通过的汇流条200a、 200b相区别，汇流条 200c也称为"信号线汇流条"。
图3是说明半导体元件和汇流条的连接构造的平面图。图3相当于安 装在冷却板300上的变换器100的俯视图。
参考图3，在被定位配置在冷却板300上的各半导体芯片302中形成 有图2所示晶体管Q和二极管D。
晶体管电极150和二极管电极164被设置为元件上面侧电极，而与汇 流条200a电连接。汇流条200a包括汇流部205a和导引部(lead portion) 210a。在汇流条200a中，汇流部205a在本发明中对应于"不与电极接合的非接合的部件"，导引部210a在本发明中对应于"与电极接合的接合部 件"。汇流部205a在纸面上下方向上延伸，并通过由绝缘材料形成的固定 支柱310来支承。
参考作为图3的IV—IV截面图的图4，汇流条205a (壁厚tl)通过 固定支柱310来支承，并在固定支柱310上通过对应于图1所示的连接接 头60或70的连接部件320与上述的半导体元件外部的电路元件电连接。 虽然省略了图示，但固定支柱310通过螺栓等接合件和/或通过粘接等方式 被固定在冷却板300上。
再次参考图3，导引部210a与汇流条205a—体成形，并被设置成在 向纸面左右方向延伸的方向上从汇流条205a分支。在导引部210a的一部 分上设置有与晶体管电极150和二极管电极164接合的接合部位215a。在 汇流部205a和导引部210a中的除接合部位215a以外的部位、即在汇流条 200a中的在图3上施以斜线阴影的部位上形成向表面覆盖绝缘薄膜等绝缘 材料而成的绝缘膜501。
参考作为图3的V—V截面图的图5，包含接合部位215a在内的导引 部件210a的壁厚t2比汇流条205a的壁厚tl薄(t2<tl ==，并且通过以 导引部210a从汇流部205a分支的形状对铜、铝等金属进行一体化压力成 形来成形出具有导引部210a和汇流部205a的汇流条200a。
另外，导引部210a被压力成形为如下形状，§卩适当弯曲以使得接合 部位215a与晶体管电极150和二极管电极164相对并且除此以外的部位从 半导体元件上离开的形状。接合部位215a不使用接合线而通过软钎料等接 合件160与晶体管电极150和二极管电极164直接地电连接。
包含接合部位215a在内的导引部210a的壁厚t2以在考虑通过电流量 而不因通电发生断线的壁厚界限以及在压力成形时的成形界限来决定。例 如，壁厚t2薄至0.1mm数量级左右。
如上所述，即使在通过至少使汇流条200a中的与半导体元件(晶体管 Q或二极管D)的电极接合的接合部位215a的壁薄化并通过一体成形的汇 流条200a在不经由接合线的状态下将半导体元件的电极与汇流条直接电接 合的构造中，也能够降低温度上升时所述接合部位的热膨胀量而缓和所作用的热应力。即，通过至少使导引部210中的接合部件215a的壁薄化，能 够构成本发明中的"热应力减轻机构"。
再次参考图3，共用电极152被设置作为元件下面侧电极，与汇流条 200b电连接。汇流条200b与汇流条200a同样地构成，包括汇流条205b 和导引部210b。与汇流部205a—样，汇流条205b通过在纸面上下方向上 延伸而由绝缘材料形成的固定支柱310来支承。并且，汇流部205b在固 定支柱310上通过对应于图1所示的连接接头60或70的连接部件320而 与上述的半导体元件外部的电路元件电连接。
参考作为图3的VI-VI截面图的图6，与汇流条200a —样，汇流条 200b被设置成包含接合部位215b在内的导引部210b的壁厚t2比汇流部 205b的壁厚tl薄(t2<tl)并且导引部210b从汇流部205b分支的形状。 汇流条200b与汇流条200a同样地能够通过对铜、铝等金属进行一体化压 力成形来制造。
导引部210b被压力成形为如下形状，g卩适当弯曲使得接合部位 215b与共用电极152相对并且除此以外的部位从半导体元件上离开的形 状。接合部位215b不使用接合线而通过软钎焊等接合件160与共用电极 152直接地电连接。
因此，即使汇流条200b为通过至少使接合部件215b的壁薄化而在不 经由接合线的状态下将半导体元件的电极和汇流条直接地电连接的构造， 也能够降低在温度上升时所述接合部位的热膨胀量而缓和所作用的热应 力。
再次参考图3，控制电极154与信号线汇流条200c电连接。信号线汇 流条200c与汇流条200a、 200b同样地通过对铜、铝等金属进行一体化压 力成形来制造，并包括一体成形的汇流部205c和导引部210c。汇流部 205c在纸面上下方向上延伸而被安装固定在通过绝缘材料形成的固定支柱 330上。导引部210c以从汇流部205b分支的形状设置。导引部210c的一 部分形成与控制电极154直接接合的接合部位215c。
如上所述，信号线汇流条200c被设置作为控制电极154的驱动配线或 传递传感器输出等的信号配线，因而多个信号线汇流条200c被并联地配置。这些独立的多个信号线汇流条200c各自的汇流部205c通过绝缘膜等 互相电绝缘而层叠配置。另外，在导引部210中的除接合部位215c以外的 部位上形成有向表面覆盖绝缘薄膜等绝缘材料而成的绝缘膜501。
如图7所示，安装有驱动控制电路DC等电路元件的电路基板400使 用固定支柱330而被安装在变换器100的主体上。电路基板400经由信号 线汇流条200c而被安装在固定支柱330上。并且，被安装在电路基板400 上的驱动控制电路DC等电路元件通过各信号线汇流条200c与半导体元件 电连接。
在电路基板400上设置有安装用的安装孔410。另外，在电路基板 400的电路元件和安装孔410之间通过形成配线图等而形成导电路径 420。即，安装孔410兼具发挥作为用于将所述电路元件与外部连接的端 子的作用。
在图5的VII区域中示出了在安装有电路基板400的状态下的图3的 V-V截面图。
支承信号线汇流条200c的汇流部205c的固定支柱330通过螺栓等紧 固件305和/或通过粘着等方式被固定在冷却板300上。在汇流部205c针 对固定支柱330的安装面的背面上设置有用于与电路基板400的安装孔 410嵌合的突出部220。突出部220是与汇流部205c —体形成的导体部 分。§卩，突出部220也能够通过压力成形来制造。
在电路基板400的安装孔410的侧面形成有与导电路径420 (图7) 电连续的导电接合部415。因此，通过在将电路基板400的安装孔410与 信号线汇流条200c的突出部220嵌合后进行抵抗压接或基于超声波/激光 等的接合，能够通过在突出部220和导电接合部415之间构成电触点而将 电路基板400上的驱动控制电路DC等电路元件与信号线汇流条200c之间 电连接。
与汇流条200a、 200b同样，信号线汇流条200c也被以如下形状进行 设置包含接合部件215c在内的导引部210c的壁厚比汇流部205b的壁厚 薄、并且导引部210b从汇流部205b分支。
因此，信号线汇流条200c即使为通过至少使接合部位215c的壁薄化
17而在不经由接合线的状态下将半导体元件的控制电极和汇流条直接地电接 合的构造，也能够降低温度上升时所述接合部位的热膨胀量而缓和所作用 的热应力。
因此，控制电极154的接合部位215c能够通过与晶体管电极150、共 用电极152、 二极管电极164同样的汇流条连接构造而在由从其他电路元 件吸热等引起温度上升时缓和作用在接合部位上的热应力。
如上所述，对于汇流条200a、 200b以及信号汇流条200c的各个汇流 条，将汇流部205a、 205b、 205c与包含接合部215a、 215b、 215c的导引 部210a、 210b、 210c —体形成，并通过接合件160直接连接接合部位 215a、 215b、 215c与半导体元件的电极，因此能够不需要焊线接合从而能 够减少制造成本。
另外，由于设置为使导引部210a、 210b、 210c的壁薄化以使得至少使 接合部位215a、 215b、 215c的壁薄化的构造，因此降低了温度上升时接合 部位的热膨胀量而缓和了所作用的热应力，因而即使在温度上升时也能够 实现能够稳定地接合二者的配线连接构造。其结果是，在以车辆安装用途 等为代表的被高输出且小型化的电力变换装置中，即使设置为在不经由接 合线的状态下将汇流条与电极之间直接地接合的构造，也能够使温度上升 时两者的接合稳定而防止断线。
在图8中示出了本发明的实施方式的半导体电力变换装置的制造工 序，更详细地说是示出了其组装工序。
参考图8，在本实施方式的半导体电力变换装置中，通过工序P100， 在冷却板300上的各半导体芯片302上形成的半导体元件被与上述的汇流 条200a 200c接合，从而电连接。
然后，当工序P100中的汇流条连接作业结束时，通过工序P200进行 用于确保接合部位215a、 215b、 215c的绝缘的绝缘保护膜形成作业。
然后，当工序P200中的绝缘保护膜形成作业结束时，通过工序P300 进行图7所示的电路基板400的安装作业。
如图9所示，工序P300包括子工序P310和P320。在子工序310中， 如图5所示那样将信号线汇流条200c的突出部220与电路基板400的安装孔410嵌合。在子工序320中，在通过子工序310而嵌合的凹凸侧面上进 行压接或进行基于激光和超声波等的接合，由此能够在信号线汇流条200c 与兼用作驱动控制电路DC等的电路元件的端子的安装孔410之间确保电 接触。
如上所述，通过在信号线汇流条200c上设置突出部220来安装电路基 板400，而使电路基板400的安装作业时的对位容易从而提高操作性。由 此，能够使电路基板安装作业(工序P300)的每单位时间的处理个数增 加，因而能够实现半导体电力变换装置的制造成本的降低。
接下来，对工序P200中的绝缘保护膜形成作业进行详细的说明。
图IO示出了绝缘保护膜形成工序的第一例。
参考图10，用于绝缘保护膜形成的工序P200包括子工序P210和 P220。
如图11所示，由于各汇流条200a、 200b、 200c的接合部位215a、 215b、 215c未形成基于绝缘薄膜等的绝缘膜(图3的标号501)，因此需 要确保绝缘。在子工序P210中，在各个接合部位处使绝缘材料形成覆 膜。例如，通过以喷射方式涂敷溶胶状的绝缘材料(代表的是，硅等的热 硬化树脂)而在需要确保绝缘的部分局部地使绝缘材料500形成覆膜。
再次参考图10，在子工序P220中，通过炉等对在接合部位215a、 215b、 215c的表面上形成覆膜的绝缘材料进行热处理。由此，如图12所 示，在接合部位215a、 215b、 215c的表面上形成绝缘材料被进行了硬化处 理的绝缘保护膜510。
其结果是，能够确保接合部位215a、 215b、 215c的绝缘并通过硬化处 理提高了汇流条与电极之间的机械接合强度。
图13示出了绝缘保护膜形成工序的第二例。
参考图13，用于绝缘保护膜形成的工序P200包括子工序P250 P280。
在子工序P250中，如图14所示那样安装溶胶贮存容器610使得其包 围与汇流条连接的半导体元件部分的周围。在溶胶贮存容器610中设置有 溶胶注入口 620和溶胶排出口 625。在子工序P260中，将通过泵630经由过滤器640吸入的溶胶状的绝 缘材料(代表的是，热硬化树脂)600从溶胶注入口 62供应到溶胶储存容 器610的内部。由此，半导体元件和汇流条整体被浸在溶胶状绝缘材料 600中。
在接下来的工序P270中，溶胶储存容器610内的溶胶状绝缘材料600 从排出口 625排出。被排出的溶胶状绝缘材料600被回收而再次利用。在 溶胶状绝缘材料600被排出之后，汇流条和半导体元件的表面部成为附着 由溶胶状材料600形成的保护膜的状态。
另外，在子工序P280中，将保护膜状的溶胶状绝缘材料600通过炉 等来进行热硬化处理。由此，如图5所示那样地在包括接合部位215a、 215b、 215c的表面在内的半导体元件和汇流条整体的表面上形成绝缘材料 被进行了硬化处理的绝缘保护膜650。另外，能够通过硬化处理来确保绝 缘并提高汇流条与电极之间的机械接合强度。
如果根据如图13所示的第二例的绝缘保护膜形成工序，则首先执行 汇流条连接工序(工序P100)，不需要对汇流条200a、 200b、 200c的除 接合部位215a、 215b、 215c以外的部分通过绝缘薄膜等来形成绝缘膜。 即，被一体形成的汇流条200a、 200b、 200c能够在通过未实施绝缘处理的 铜、铝、黄铜等洁净材料来制成的基础上，通过在汇流连接工序(工序 P100)完成后的绝缘保护膜形成工序(P250 P280)来对包括接合部位 215a、 215b、 215c在内的汇流条200a、 200b、 200c整体进行绝缘保护。 因此能够降低汇流条的制造成本。另外，除附着在半导体元件和汇流条的 表面以外的溶胶状绝缘材料600能够将溶胶回收而再次利用，因此能够降 低绝缘材料的成本。
特别是在本实施方式的半导体电力变换装置中，能够在不使用焊丝接 合的状态下实现汇流条连接构造，因此能够大幅地减小可能要进行绝缘保 护的接合部位的体积(空间范围)。因此，通过如上述那样仅在接合部位 的表面部分上局部地形成绝缘膜，即使减少绝缘材料的使用量也能够确保 绝缘。另外，能够通过硬化处理来形成绝缘保护膜来确保机械接合强度。
在经由焊丝接合来电连接汇流条与半导体元件的构造中，需要将接合线从周围整体绝缘，因此一般采用设置罩以使其包围半导体元件和汇流条 并在该罩内填充溶胶状绝缘材料而对很大的体积部位确保绝缘的构造。与 此相对，在本实施方式的半导体电力变换装置中，通过汇流条连接构造的 改良，能够大幅地减少被使用的绝缘材料量而实现制造成本的减少。
在以上的说明中示出了使汇流条200a、 200b、 200c的导引部210a、 210b、 210c的壁薄化的例子，但作为变形例，也可以通过将导引部采用图 16所示的构造来缓和电极与汇流条的接合部位的热应力。
通过图16与图5的比较可知，在基于变形例的汇流条中，在汇流条 200a、 200c的导引部210a、 210c中的不与电极接合的非接合部位上适当 设置有松弛部位250。松弛部位250能够通过弯曲和压力加工来形成。通 过设置松弛部位250，即使不使导引部210a壁薄化而将汇流条整体设置为 均匀的壁厚，也能够确保能够根据作用在接合部位215a、 215c上的热应力 而在导引部210a的延伸方向上位移的形状的部位，从而能够减小电极与汇 流条的接合部位的热应力。即，即使通过设置如上所述的松弛部位250， 也能够构成本发明的"热应力减轻机构"。
另外，也可以如图17所示那样组合图5和图6的构造而在被薄壁化的 导引部210a、 210c上设置松弛部位250。这样一来，能够提高热应力的减 轻效果。虽然在图16和图17中省略了图示，但可确定其记载了汇流条 200b也可以应用同样的变形例。另外，在图16和图17中，也能够通过与 松弛部位250不同的方式来设置在导引部中确保能够根据作用在接合部位 上的热应力进行位移的形状的部位的汇流条构造。
应认为本次公开的实施方式的所有内容仅为例示而不具有限制作用。 本发明的范围不限于上述说明而是通过权利要求书来表示，意图包含与权 力要求书均等意思以及保护范围内的所有变更。
产业上的实用性
本发明能够应用于具有通过汇流条来电连接半导体元件的电极与其他 电路元件的构造的半导体电力变换装置。
权利要求
1.一种半导体电力变换装置，包括用于进行电力变换的半导体元件(Q、D)；以及用于将所述半导体元件的电极(150、152、162、164)与该半导体元件的外部的电路元件之间电连接的汇流条(200a、200b、200c)，所述汇流条被构成为与所述电极接合的接合部件(210a、210b、210c)以及不与所述电极接合的非接合部件(205a、205b、205c)被一体成形，并且所述汇流条具有热应力减轻机构，该热应力减轻机构用于减轻作用在与电极接合的接合部位(215a、215b、215c)上的热应力，所述接合部位由所述接合部件的一部分构成。
2. 根据权利要求1所述的半导体电力变换装置，其中， 所述接合部件(210a、 210b、 210c)通过被形成使得至少所述接合部位(215a、 215b、 215c)的壁厚比所述非接合部件(205a、 205b、 205c) 薄来构成所述热应力减轻机构。
3. 根据权利要求1所述的半导体电力变换装置，其中， 在所述接合部件(210a、 210b、 210c)中，在不与所述电极(150、152、 162、 164)接合的非接合部位的至少一部分上，具有被构成为能够 根据作用在所述接合部位(215a、 215b、 215c)上的热应力而位移的形状 的部位(250)，以作为所述热应力减轻机构。
4. 根据权利要求1所述的半导体电力变换装置，其中， 所述接合部件(210a、 210b、 210c)通过在不与所述电极(150、152、 162、 164)接合的非接合部位的至少一部分上，具有被构成能够根 据作用在所述接合部位(215a、 215b、 215c)上的热应力进行位移的形 状、并具有壁厚比所述非接合部件(205a、 205b、 205c)的壁厚薄的形状 的部位(250)，由此构成所述热应力减轻机构。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的半导体电力变换装置，其中， 所述非接合部件(205a、 205b、 205c)具有与所述电路元件电接合的部分，所述接合部件(210a、 210b、 210c)被以从所述非接合部件分支并且 壁厚比所述非接合部件薄的形状进行设置。
6. 根据权利要求1所述的半导体电力变换装置，包括固定支柱(330)，由绝缘材料形成，用于安装所述非接合部件 (205c);以及电路基板(400)，经由所述非接合部件而被安装在所述固定支柱上；所述非接合部件在其与所述固定支柱的安装面的背面上具有与所述非 接合部件一体地设置的突出部(220)，所述电路基板包括安装孔(410)，与所述突出部相嵌合；导电部(415、 420),被构成为通过将所述突出部与所述安装孔接合 来确保所述非接合部件与所述电路基板上的电路元件之间的电连接。
7. 根据权利要求1所述的半导体电力变换装置，其中， 所述汇流条(200a、 200b、 200c)还包括第一保护膜(501)，通过由绝缘材料覆盖不与所述电极(150、 152、 162、 164)接合的非接合部位的表面而成；以及第二保护膜(510),通过对在与所述电极接合的状态下在与所述电 极接合的接合部位(215a、 215b、 215c)的表面上被形成为覆膜的绝缘材 料(500)进行热硬化处理而形成。
8. 根据权利要求1所述的半导体电力变换装置，其中， 所述汇流条(200a、 200b、 200c)还包括通过对在与所述电极(150、 152、 162、 164)接合的状态下在所述接合部件(210a、 210b、 210c)和所述非接合部件(205a、 205b、 205c)的表面上被形成为覆膜的 绝缘材料(600)进行热硬化处理而形成的保护膜(650)。
9. 根据权利要求1至4、 6至8中任一项所述的半导体电力变换装置， 其中，所述半导体元件(Q)被构成使得根据控制电极(154)的电位或电流 来控制第一电流电极(150)与第二电流电极(152)间的电流，所述汇流条(200c)电连接所述控制电极和所述电路元件。
10. 根据权利要求1至4、 6至8中任一项所述的半导体电力变换装 置，其中，所述半导体元件(Q)被构成使得根据控制电极(154)的电位或电流 来控制第一电流电极(150)和第二电流电极(152)间的电流，所述汇流条(200a、 200b)将所述第一电流电极和所述第二电流电极 的一者与所述电路元件电连接。
11. 根据权利要求1至4、 6至8中任一项所述的半导体电力变换装 置，其中，所述汇流条(200a、 200b)以共用方式与多个所述半导体元件(Q、 D)的电极电连接。
12. —种半导体电力变换装置的制造方法，包括第一工序(P100)，将汇流条(200a、 200b、 200c)与半导体元件的 电极之间电连接，所述汇流条(200a、 200b、 200c)被构成为与所述半 导体元件(Q、 D)的电极(150、 152、 162、 164)接合的接合部件(210a、 210b、 210c)和不与所述电极接合的非接合部件(205a、 205b、 205c)被一体地成形，且所述接合部件具有用于减轻作用在与所述电极接 合的接合部位(215a、 215b、 215c)上的热应力的热应力减轻机构；以及第二工序(P200)，用于至少在通过所述第一工序形成的所述汇流条 和所述电极的所述接合部位上形成绝缘保护膜(510、 650)。
13. 根据权利要求12所述的半导体电力变换装置的制造方法，其中， 在所述第一工序(P100)之前的阶段，在所述汇流条(200a、 200b、200c)中的不与所述电极(150、 152、 162、 164)接合的非接合部位的表 面上设置通过由绝缘材料覆盖该表面而成的保护膜(501)， 所述第二工序(P200)包括第一子工序(P210)，在与所述电极接合的状态下，在与所述电极接 合的接合部位(215a、 215b、 215c)的表面上将所述绝缘材料(500)形成 覆膜；以及第二子工序(P220)，对通过所述第一子工序形成的覆膜进行热硬化处理来形成所述绝缘保护膜(510)。
14. 根据权利要求13所述的半导体电力变换装置的制造方法，其中， 所述第一子工序(P210)通过喷射来涂敷溶胶状的绝缘树脂(500)，而在所述接合部位(215a、 215b、 215c)的表面将绝缘材料形成 覆膜。
15. 根据权利要求13所述的半导体电力变换装置的制造方法，其中， 所述第二工序(P200)包括第一子工序(P250)，通过填充溶胶状的绝缘材料(600)来浸渍所 述半导体元件(Q、 D)和所述汇流条(200a、 200b、 200c);第二子工序(P270),排出并回收所述绝缘材料，使得在所述汇流条 的所述接合部件(210a、 210b、 210c)和所述非接合部件(205a、 205b、 205c)的表面上留有绝缘材料的覆膜；以及第三子工序(P280)，对通过所述第二子工序形成的所述绝缘材料的 覆膜进行热硬化处理来形成所述绝缘保护膜(650)。
16. 根据权利要求12所述的半导体电力变换装置的制造方法，其中， 在所述第一工序(P100)中，所述非接合部件(205a、 205b、 205c)被安装在由绝缘材料形成的固定支柱(330)上，所述制造方法还包括经由所述非接合部件将电路基板(400)安装在 所述固定支柱上的第三工序(P300)，所述第三工序包括第一子工序(P310)，将突出部(220)与设置在所述电路基板上的 安装孔(410)嵌合，所述突出部(220)与所述非接合部件被一体地设置 在所述非接合部件的与所述固定支柱间的安装面的背面上；以及第二子工序(P320)，将被设置在所述安装孔的侧面上并与所述电路 基板上的电路元件电连接的导电部(415)与所述突出部接合，而将所述 导电部与所述突出部之间电连接。
全文摘要
汇流条(200a)包括导引部(210a)和汇流部(205a)，所述导引部和汇流部被一体成形。导引部(210a)以从汇流部(205a)分支的形状设置。导引部(210a)的一部分形成接合部位(215a)，所述接合部位通过软钎料等接合件(160)与晶体管电极(150)和二极管电极(164)直接地电接合。包含接合部位(215a)在内的导引部(210a)的壁厚(t2)被设置得比汇流部(205a)的壁厚(t1)薄。因此，本发明能够提供一种直接地电接合半导体元件的电极和汇流条并且能够缓和二者的接合部的热应力的配线连接构造。
文档编号H02M7/48GK101622779SQ20088000605
公开日2010年1月6日 申请日期2008年2月20日 优先权日2007年2月22日
发明者中村秀生, 大野裕孝, 渡边智之, 稻垣信明 申请人:丰田自动车株式会社