专利名称：功率模块及其连接方法
技术领域：
本发明涉及一种功率模块(power module)例如IGBT模块以及该功率模块的连接方法。尤其是，本发明涉及一种与壳体的附着性得到改进从而有助于热辐射(放热性)的功率模块以及该功率模块的连接方法。
背景技术：
诸如包含半导体器件如IGBT器件的功率模块之类的组件主要连接在壳体部件例如起冷却体作用的变频器壳体上以便散发(放出)由半导体器件产生的热量。
例如，在将变频器壳体连接到功率模块的情况下，导热润滑脂填充在功率模块和变频器壳体之间，以便经导热润滑脂将功率模块的热量有效地传递给变频器壳体。
另一方面，参见日本专利特开平11-163231，包含微处理器或其它半导体触点(tip)的组件具有通过散热器和导热材料连接在其上的热沉以便散发半导体触点产生的热量。
如图12所示，在上述功率模块和变频器壳体之间填充导热润滑脂的情况下，功率模块101安装在其上涂覆有导热润滑脂105的变频器壳体103上，并且功率模块101的两端用螺栓106等等拧紧，以便将功率模块101连接到变频器壳体103上。
然而，如图3所示，在将功率模块101连接到其上涂覆有导热润滑脂105的变频器壳体103上的情况下，由于导热润滑脂105的低流动性，在用螺栓106将功率模块101拧紧时，导热润滑脂105的反作用力施加在功率模块101上。因此，功率模块101在导热润滑脂105的作为支点P的两端处变形，并变得向上凸起。
如果用这种方式使功率模块101变形并变得向上凸起，则会在功率模块101的底表面和导热润滑脂105之间产生间隙Q，由此，功率模块101与变频器壳体103的附着不牢靠，并且散热性降低。
为了防止在功率模块101的底表面和导热润滑脂105之间产生间隙Q，例如功率模块101可预先形成为具有向下凸起的底表面。在这种情况下，首先功率模块101的中央部抵靠导热润滑脂105，随后功率模块101的外侧部抵靠导热润滑脂105，由此就防止间隙Q的产生。
如日本专利特开平11-163231中所述，热沉预先被弯翘以便具有用于防止热沉和导热材料之间产生间隙的凸起中央部。
然而，热沉或功率模块101的预先弯翘会增加材料等的成本。
即使功率模块101的底表面的中央部弯翘成凸形，在变频器壳体103上以均匀厚度涂覆导热润滑脂105也会导致在使功率模块101抵靠导热润滑脂105时该中央部处的导热润滑脂105被向外-从其中央部向其外侧-推动，从而导热润滑脂105在其两端变厚。两端的厚导热润滑脂105的反作用力会使功率模块101变形，从而在功率模块101和变频器壳体103之间产生间隙。
发明内容
用于解决上述问题的本发明功率模块及其连接方法具有以下特征。
在本发明的第一方面中，关于用于经导热润滑脂将具有散热板(放热板)的功率模块连接到壳体的方法，将功率模块上的散热板的表面预加热以使功率模块弯翘，从而在功率模块连接到壳体上之前散热板的表面变成凸形，并且首先将散热板的表面的端部中的一个端部沿弯翘方向固定到壳体上，然后所述表面的另一个端部固定到壳体上。
由于导热润滑脂被预加热的功率模块加热，因此导热润滑脂的粘度降低，从而可以容易地涂覆导热润滑脂。
由于功率模块弯翘使得散热板的表面通过预加热变成凸形，因此在将功率模块连接到壳体上时不会在壳体和散热板之间产生空腔或间隙，从而将壳体附着在散热板上。
因此，功率模块的散热性得到提高而成本不会增加。
在上述方面中，优选的是，导热润滑脂在壳体上涂覆成具有中央部和沿功率模块的弯翘方向比所述中央部薄的两个端部。
因此，导热润滑脂的涂覆阻力减小从而可容易地涂覆导热润滑脂。而且，防止了功率模块的变形，如果将导热润滑脂以均匀厚度涂覆在整个表面上，涂覆在功率模块两端上的导热润滑脂的反作用力会引起这种变形。
因此，壳体附着在散热板上，从而功率模块的散热性得到提高而成本不会增加。
在本发明的第二方面中，经导热润滑脂连接到壳体上的功率模块包括散热板，其中将功率模块上的散热板的表面预加热以使功率模块弯翘，从而散热板的表面变成凸形，并且功率模块连接在其上导热润滑脂被涂覆成具有中央部和沿功率模块的弯翘方向比中央部薄的两个端部的壳体上。
因此，导热润滑脂较好地涂覆，从而功率模块连接到壳体上，而不会在壳体和散热板之间产生任何空腔或间隙。
此外，防止了功率模块的由于导热润滑脂的反作用力施加在功率模块的两端上引起的变形。
因此，功率模块附着在壳体上，从而功率模块的散热性得到提高而成本不会增加。
依照本发明，由于预加热，功率模块弯翘，使得散热板凸起，并且导热润滑脂容易涂覆。因此，在将功率模块连接到壳体上时不会在壳体和散热板之间产生空腔或间隙，从而将壳体附着在散热板上。
此外，防止了功率模块的由于导热润滑脂的反作用力施加在功率模块的两端上引起的变形。
因此，功率模块的散热效率得到提高而成本不会增加。
图1是本发明的功率模块的透视图；图2是功率模块的侧视图；图3是变频器壳体的透视图，示出用于涂覆导热润滑脂的掩模安装在变频器壳体上的状态；图4是变频器壳体的透视图，示出导热润滑脂滴在掩模上的状态；图5是变频器壳体的透视图，示出用涂刷器涂覆滴在掩模上的导热润滑脂的状态；图6是变频器壳体的透视图，在该变频器壳体上涂覆有导热润滑脂；图7是掩模的平面图；图8是掩模的截面侧视图；图9是用加热器预加热时的功率模块的透视图；图10是连接到变频器壳体上时的功率模块的透视图；图11是功率模块和变频器壳体的侧视图，示出将功率模块连接到变频器壳体上时支点的运动；图12是功率模块和变频器壳体的侧视图，示出用常规方法将功率模块连接到变频器壳体上的状态；以及图13是功率模块和变频器壳体的侧视图，示出功率模块的用常规方法将功率模块连接到变频器壳体上时引起的变形以及由变形产生的间隙。
具体实施例方式
下面结合
本发明的实施例。
图1和图2所示的功率模块1被构造成包括半导体器件例如IGBT器件的基片(未示出)由合成树脂或类似物制成的外罩11盖住，并且散热板12连接到外罩11的底部。
功率模块1经导热润滑脂5连接到变频器壳体3上。导热润滑脂5将功率模块1的散热板12附着到变频器壳体3上，以便将功率模块1的半导体器件的热量有效地传递到变频器壳体3。
在上述经导热润滑脂5将功率模块1连接到变频器壳体3上的情况下，首先将导热润滑脂5有效地涂覆在变频器壳体3上，之后将功率模块1连接到变频器壳体3上。如果连接时在功率模块1和导热润滑脂5之间产生间隙，散热性会降低。因此，必需防止产生任何间隙，以便确保功率模块1与变频器壳体3的附着。
因此，对于本发明，将功率模块1连接到变频器壳体3的方法如下改进功率模块1与变频器壳体3的附着如图3所示，用于涂覆导热润滑脂5的掩模21安装在变频器壳体3上。然后，如图4所示，导热润滑脂5滴在安装的掩模21上。
此后，如图5所示，导热润滑脂5通过涂刷器23涂覆，并印刷在变频器壳体3上。用涂刷器23涂覆的涂覆导热润滑脂5通过掩模21的开口21a传递到变频器壳体3。此后，当掩模21被移去时，涂覆导热润滑脂5保留掩模21的开口21a的形状，如图6所示。
在下文中，功率模块1、变频器壳体3等的较短方向称作X方向，而其较长方向称作Y方向(如图1，3等所示)。
在此，如图7和8所示，掩模21是局部开口的金属掩模，它具有用于涂覆导热润滑脂5的涂覆区21c，在该涂覆区中局部地形成有多个开口21a。
形成有开口21a的涂覆区21c按照要连接的功率模块1的散热板12的形状等来设计。
掩模21沿短方向(X方向)的中央部内的开口21a的开口面积较大使得掩模21的开口率大。开口21a从中央部越接近两端，开口21a的开口面积越小，从而掩模21的开口率减小。
当如此构造的掩模21用于涂覆导热润滑脂5时，导热润滑脂5的涂覆量在X方向的中央部内由于开口率大而较大，而其涂覆量在两端由于开口率小而较小。
当用上述掩模21将导热润滑脂5涂覆在变频器壳体3上时，要连接的功率模块1通过发热器28例如热板预加热，如图9所示。
发热器28仅从散热板12的一侧对功率模块1进行预加热。因此，在功率模块1中，散热板12所述一侧的热膨胀率大于另一侧的热膨胀率，由此功率模块1沿X方向弯翘，从而使散热板12的表面变成凸形。即，X方向可被认为是由预加热引起的弯翘的方向。
如图10所示，预加热的功率模块1安装在涂覆有导热润滑脂5的变频器壳体3上，并用螺栓6拧紧以便连接到变频器壳体3上。
预加热的功率模块1安装并连接在变频器壳体3上，如下所述。
如图11(a)所示，预加热的功率模块1沿X方向弯翘，从而散热板12的表面变成凸形，并且在中央部内涂覆的导热润滑脂5的量较大，使得导热润滑脂5的厚度较大，从而安装的功率模块1支承在中央部附近的支点P上。支点P是抵抗施加在功率模块1上的导热润滑脂5的反作用力的支点。
如图11(b)所示，当沿X方向的端部中的一个端部(图11(b)中左端)处的螺栓6以上述状态拧紧时，功率模块1的支点P朝这一个端部移动。因此，功率模块1的这一个端部附着在导热润滑脂5上，而另一个端部(图11(b)中的右端)通过功率模块1的弯翘而抬起。
此外，在拧紧另一个端部中的螺栓6以前拧紧这一个端部中的所有螺栓6。
当功率模块1的另一个端部被向下推并用螺栓6以上述状态拧紧时，支点P就与下推量成比例地向所述另一个端部移动。
在支点P从一个端部移动到另一个端部的过程中导热润滑脂5依次扩展，由此导热润滑脂5涂覆在整个表面上，而不会产生任何气泡或空腔，从而散热板12附着到变频器壳体3上。
如图11(a)至(c)所示，由于功率模块1的在将功率模块1附着到变频器壳体3上之前的预加热，则导热润滑脂5由功率模块1的热量加热，由此导热润滑脂5的粘度降低，使导热润滑脂5容易涂覆。
因为通过预加热功率模块1弯翘从而使散热板12的表面变成凸形，因此在将功率模块1连接到变频器壳体3上时不会在变频器壳体3和散热板12之间产生空腔或间隙，由此变频器壳体3附着到散热板12上。
因此，功率模块1的散热效率得到提高。
此外，局部开口的掩模21具有位于涂覆区21c中的不能涂覆导热润滑脂5的部分，并且在变频器壳体3上导热润滑脂5在两端的涂覆量比中央部的涂覆量少。因此，导热润滑脂5的涂覆阻力减小，从而导热润滑脂5变得容易涂覆。此外，防止了功率模块1的变形，这种变形是在将导热润滑脂5以均匀厚度涂覆在整个表面的情况下，由导热润滑脂5的施加在功率模块1两端上的反作用力引起的。
权利要求
1.一种用于经导热润滑脂将具有散热板的功率模块连接到壳体上的方法，其特征在于将所述功率模块上的所述散热板的表面预加热以使所述功率模块弯翘，从而在所述功率模块连接到所述壳体上之前所述散热板的所述表面变成凸形；以及首先将所述散热板的所述表面的端部中的一个端部沿弯翘方向固定到所述壳体上，之后将所述表面的另一个端部固定到所述壳体上。
2.如权利要求1所述的用于连接功率模块的方法，其特征在于，所述导热润滑脂在所述壳体上涂覆成具有中央部和沿所述功率模块的所述弯翘方向比所述中央部薄的两个端部。
3.一种经导热润滑脂连接到壳体上的功率模块，所述功率模块包括散热板，其特征在于将所述功率模块上的所述散热板的表面预加热以使所述功率模块弯翘，从而所述散热板的所述表面变成凸形；以及所述功率模块连接到所述壳体上，所述导热润滑脂在所述壳体上涂覆成具有中央部和沿所述功率模块的弯翘方向比所述中央部薄的两个端部。
全文摘要
本发明涉及功率模块及其连接方法。对于常规功率模块，功率模块的材料被预先弯翘成凸形以使功率模块所连接的壳体附着到功率模块上，由此成本增加。即使功率模块预先弯翘，将导热润滑脂以均匀厚度涂覆在壳体上也会导致在功率模块和壳体之间产生间隙。因此，对于用于经导热润滑脂5将具有散热板12的功率模块1连接到变频器壳体3的方法，功率模块1上的散热板12的表面被预加热以使功率模块1弯翘，从而在将功率模块1连接在变频器壳体3上之前散热板12的表面变成凸起，首先将散热板12的表面的端部中的一个端部沿弯翘方向固定到变频器壳体3上，之后将所述表面的另一个端部固定到变频器壳体3上。
文档编号H05K7/20GK1604314SQ200410089940
公开日2005年4月6日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月9日
发明者石松久朋, 稻垣信明 申请人:丰田自动车株式会社