专利名称：功率半导体模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及功率半导体模块及其制造方法，尤其是涉及用于混合动力车及电动车的功率半导体模块及其制造方法。
背景技术：
从节省能量的观点考虑，汽车要求高燃油效率化，且以电动机驱动的电动车、组合电动机驱动及引擎驱动的混合动力车备受关注。用于汽车的大容量的车载电动机在电池的直流电压下难以驱动及控制。于是，用于将直流电压升压且进行交流控制而利用了功率半导体芯片的开关的电力转换装置不可或缺。这样使用的功率半导体芯片由于通电而大幅发热，因此，要求高的散热能力。在专利文献I中，公示有一种能够从功率半导体芯片的两面进行冷却的半导体装置。专利文献I中，公开有一种在电连接设于功率半导体芯片的表面的主电极时，为了确保针对所述主电极分别设置的控制电极进行的、使用了金属导线的电连接的耐电压，插入间隔片且确保其空间的构造。但是，在功率半导体芯片中产生的热，由于向间隔片或引线架怎样进行传热的不同，功率半导体芯片的散热效率会有不同。另外，间隔片或引线架有必要考虑金属导线的确保耐电压而形成。专利文献1:日本国专利第3525832号公报
发明内容
本发明提供一种功率半导体模块，其兼具提高用于功率半导体模块的功率半导体元件的散热效率和确保功率半导体元件的周边部件的耐电压的功能。本发明的第一方面的功率半导体模块，具备:功率半导体兀件，其在一个主面上形成有多个控制电极；第一导体板，其与所述功率半导体元件的所述一个主面介由第一焊锡材料接合；和第二导体板，其与所述功率半导体元件的另一个主面介由第二焊锡材料接合，在所述第一导体板形成有从该第一导体板的基部突出且在上表面具有第一突出面的第一突出部，在所述第一导体板的所述第一突出面形成有具有与所述功率半导体元件的所述一个主面相对的第二突出面的第二突出部，所述第一焊锡材料设置在所述功率半导体元件和所述第一导体板之间，避开所述多个控制电极，进而，在从所述功率半导体元件的所述一个主面的垂直方向投影的情况下，所述第二突出部以所述第二突出面的规定边的投影部与形成于所述第一导体板的基部和所述第一突出部间的台阶部的投影部重叠的方式形成，所述功率半导体元件的所述多个控制电极沿所述第二突出面的所述规定边形成。根据本发明的第二方面，在第一方面的功率半导体模块中，优选为，所述功率半导体元件配置为，所述功率半导体元件的所述控制电极与未形成有所述第一突出部的所述第一导体板的基部的表面相对，并且沿着所述第二突出面的所述规定边配置。
根据本发明的第三方面，在第二方面的功率半导体模块中，优选为，未形成所述第一突出部的所述第一导体板的基部的表面相对于所述第二突出面比所述第一突出面更远地形成。本发明的第四方面，为一种功率半导体模块的制造方法，其中该功率半导体模块具有与功率半导体元件的一个主面相对的第一导体板和与所述功率半导体元件的另一个主面相对的第二导体板，该功率半导体模块的制造方法具有:第一工序，在所述第一导体板的一个面形成具有第一突出面的第一突出部的情况下，以该第一突出面的相对的规定的2边与所述第一导体板的相对的规定的2边分别重叠的方式通过拉制形成；和第二工序，在形成形成于所述第一突出面并且具有第二突出面的第二突出部的情况下，通过冲压所述第一突出面的一部分形成所述第二突出面。本发明第五方面的功率半导体模块的制造方法，在第四方面的功率半导体模块的制造方法中，优选为，所述第一工序包括在所述第一突出面上凃敷与焊锡材料接合的金属镀层的工序。发明效果根据本发明，可以兼具提高用于功率半导体模块的功率半导体元件的散热效率、和确保功率半导体元件的周边部件的耐电压的效果。
图1是表示混合动力车的控制模块的图；图2是表示图1所示的逆变器电路140的电路的构成的电路图；图3 Ca)是本实施方式的功率模块300U的立体图。图3 (b)是在截面D切断本实施方式的功率模块300U且从方向E看时的截面图；图4 Ca)是从图3 Ca)所示状态除去螺栓309及第二密封树脂351的功率模块300U的立体图，图4 (b)是在截面D切断功率模块300U且从方向E看时的截面图，图4(c)是翅片305被加压且弯曲部304A变形前的功率模块300U的截面图；图5 (a)是从图4 (a)所示状态再除去模块盒304的功率模块300U的立体图，图5 (b)是在截面D切断功率模块300U且从方向E看时的截面图；图6是从图5 (a)所示的状态再除去第一密封树脂348及配线绝缘部608的功率模块300U的立体图；图7是用于说明模块一次密封体302的组装工序的图；图8是用于将功率半导体元件(IGBT328和二极管156等)和导体板的配置与图3 图7所示的功率模块300U联系起来说明的电路图；图9 (a)是二极管156的立体图，图9 (b)是IGBT328的立体图；图10是放大图7所示的模块一次密封体302的IGBT328及二极管156的附近的分解立体图；图11是将图10所示的导体板318上下反转的立体图；图12是从图10所示的C截面的截面方向看到的截面图；图13是图12的代替方案，是从图10所示的C截面的截面方向看到的截面图；图14是图10 图13所示的导体板318的制造工序的说明图15是第二实施方式的模块一次密封体302的分解立体图；图16是导体板318的其它的制造工序的说明图。
具体实施例方式下面，参照附图详细说明本发明实施方式的电力转换装置。本发明实施方式的电力转换装置可应用于混合动力的汽车及纯粹的电动车，但是，作为代表例，使用图1和图2说明将本发明实施方式的电力转换装置应用于混合动力车时的控制结构和电力转换装置的电路结构。图1是表示混合动力车的控制模块的图。引擎(engine) EGN及电动发电机MGl(Motor Generator)产生车辆行驶用扭矩。另外，电动发电机MGl不仅产生旋转扭矩，而且具有将从外部向电动发电机MGl施加的机械能转换为电力的功能。电动发电机MGl例如为同步电机或感应电机，如上所述，根据运转方法的不同，既可作为电动机也可作为发电机工作。在将电动发电机MGl安装在汽车上的情况下，期望以小体积获得高输出，因此优选的是使用了钕等磁铁的永磁铁型同步电机。此外，永磁铁型的同步电机与感应电机相比，转子的发热较少，从这一点出发作为汽车用也是优异的。引擎EGN的输出侧的输出扭矩通过动力分配机构TSM传递到电动发电机MG1。来自动力分配机构TSM的旋转扭矩或电动发电机MGl产生的旋转扭矩通过变速器TM和差动齿轮DEF传递到车轮。另一方面，在再生制动运转时，旋转扭矩从车轮传递到电动发电机MGl0电动发电机MGl基于从车轮供给而来的旋转扭矩产生交流电力。所产生的交流电力如后所述的那样通过电力转换装置200转换为直流电力，对高电压用的电池136充电。充电至电池136的电力被再次作为行驶能量使用。下面针对电力转换装置200进行说明。逆变器电路140通过直流连接器138电连接到电池136上。电池136与逆变器电路140彼此之间进行电力的发送和接收。在电动发电机MGl作为电动机工作的情况下，逆变器电路140基于从电池136经直流连接器138供给的直流电力而产生交流电力，并将其经由交流端子188供给到电动发电机MGl。电动发电机MGl和逆变器电路140构成的结构作为第一电动发电单元工作。此外，本实施方式中，利用电池136的电力使第一电动发电单元作为电动单元工作，因而能够仅利用电动发电机MGl的动力驱动车辆。进而，本实施方式中，通过将第一电动发电单元作为发电单元，使它在引擎EGN的动力或来自车轮的动力下工作而发电，能够对电池136充电。此外，电池136进而也作为用于驱动图1中省略图示的辅助设备用电动机的电源使用。辅助设备用电动机例如是驱动空调的压缩机的电动机、或者驱动控制用油压泵的电动机。从电池136对辅助设备用功率模块供给直流电力，在辅助设备用功率模块中产生交流电力供给到辅助设备用电动机。辅助设备用功率模块与逆变器140具有基本同样的电路结构和功能，控制对辅助设备用电动机供给的交流的相位、频率、电力。另外，电力转换装置200具备用于使供给到逆变器电路140的直流电力平滑化的电容器模块500。电力转换装置200具备通信用的连接器21，用于从上级的控制装置接受指令或者对上级的控制装置发送表示状态的数据。基于经连接器21接收到的指令，电力转换装置200的控制电路172计算电动发电机MGl的控制量，进而，对是作为电动机运转还是作为发电机运转进行运算。控制电路172基于运算结果产生控制脉冲，对驱动电路174供给上述控制脉冲。驱动电路174基于所供给的上述控制脉冲产生用于控制逆变器电路140的驱动脉冲。接着，用图2说明逆变器电路140的电路结构。其中，以下使用绝缘栅双极型晶体管作为功率半导体元件，以下简记作IGBT。作为上臂工作的IGBT328与二极管156和作为下臂工作的IGBT330与二极管166构成上下臂串联电路150。逆变器电路140中，与要输出的交流电力的U相、V相、W相这3相对应地，具备该上下臂串联电路150。这3相在本实施方式中与电动发电机MGl的电枢绕组的3相的各相绕组对应。3相各自的上下臂串联电路150，从串联电路的中点部分即中间电极169输出交流电流。该中间电极169通过连接交流端子159和交流端子188之间的交流汇流条802，连接至电动发电机 MG1。上臂的IGBT328的集电极153通过正极端子157与电容器模块500的正极侧的电容器端子506电连接。此外，下臂的IGBT330的发射极通过负极端子158与电容器模块500的负极侧的电容器端子504电连接。如上所述，控制电路172经连接器21从上级的控制装置接收控制指令，基于它产生控制脉冲供给到驱动电路174。该控制脉冲是用于对构成逆变器电路140所包括的各相的串联电路150的上臂或下臂的IGBT328和IGBT330进行控制的控制信号。驱动电路174基于上述控制脉冲，将用于对构成各相的串联电路150的上臂或下臂的IGBT328和IGBT330进行控制的驱动脉冲供给到各相的IGBT328和IGBT330。IGBT328和IGBT330基于来自驱动电路174的驱动脉冲而进行导通或切断动作，将从电池136供给的直流电力转换为三相交流电力。该转换后的电力被供给到电动发电机MGl。IGBT328具备集电极153、信号用发射极155和栅极电极154。IGBT330具备集电极163、信号用发射极165和栅极电极164。二极管156电连接在集电极153与发射极155之间。此外，二极管166电连接在集电极163与发射极165之间。作为开关用功率半导体元件，也可以使用金属氧化物半导体型场效应晶体管(以下简记作M0SFET)，该情况下不需要二极管156和二极管166。作为开关用功率半导体元件，IGBT适合直流电压比较高的情况，MOSFET适合直流电压比较低的情况。电容器模块500具备正极侧的电容器端子506、负极侧的电容器端子504、正极侧的电源端子509和负极侧的电源端子508。来自电池136的高电压的直流电力，经直流连接器138被供给到正极侧的电源端子509和负极侧的电源端子508，从电容器模块500的正极侧的电容器端子506和负极侧的电容器端子504，对逆变器电路140供给。另一方面，通过逆变器电路140从交流电力转换得到的直流电力，从正极侧的电容器端子506和负极侧的电容器端子504供给到电容器模块500，从正极侧的电源端子509和负极侧的电源端子508经直流连接器138对电池136供给，蓄积在电池136中。控制电路172具备用于对IGBT328和IGBT330的开关时序进行运算处理的微型计算机。对微型计算机输入的信息，包括对电动发电机MGl要求的目标转矩值，从串联电路150对电动发电机MGl供给的电流值，和电动发电机MGl的转子的磁极位置。目标转矩值基于从未图示的上级控制装置输出的指令信号而得到。电流值基于电流传感器180的检测信号而检测出。磁极位置基于从设置在电动发电机MGl上的解析器(resolver)等旋转磁极传感器(未图示)输出的检测信号而检测出。本实施方式中，列举了电流传感器180检测3相的电流值的情况作为例子，但也可以检测2相的电流值，并通过运算来求出3相的电流。控制电路172内的微型计算机，基于目标转矩值计算电动发电机MGl的d、q轴的电流指令值，基于该计算出的d、q轴的电流指令值与检测出的d、q轴的电流值的差值计算d、q轴的电压指令值，将该计算出的d、q轴的电压指令值基于检测出的磁极位置转换为U相、V相、W相的电压指令值。然后，微型计算机根据基于U相、V相、W相的电压指令值的基本波(正弦波)与载波(锯齿波)的比较而生成脉冲状的调制波，将该生成的调制波作为PWM(脉冲宽度调制)信号输出到驱动电路174。驱动电路174在驱动下臂的情况下，将由PWM信号放大而得的驱动信号输出到对应的下臂的IGBT330的栅极电极164。此外，驱动电路174在驱动上臂的情况下，将PWM信号的基准电位的电平偏移至上臂的基准电位电平后对PWM信号放大，将其作为驱动信号，分别输出到对应的上臂的IGBT328的栅极电极154。此外，控制电路172内的微型计算机进行异常检测(过电流，过电压，过热等)，保护串联电路150。因此，对控制电路172输入传感器信息。例如，从各臂的信号用发射极155和信号用发射极165对对应的驱动部(IC)输入各IGBT328和IGBT330的发射极上流过的电流的信息。由此，各驱动部(IC)进行过电流检测，在检测到过电流的情况下使对应的IGBT328、IGBT330的开关动作停止，保护对应的IGBT328、IGBT330以避免过电流。从设置在串联电路150上的温度传感器(未图示)对微型计算机输入串联电路150的温度信息。此外，串联电路150的直流正极侧的电压的信息被输入微型计算机。微型计算机基于这些信息进行过热检测和过电压检测，检测到过热或过电压的情况下使所有IGBT328、IGBT330的开关动作停止。使用图3 图7说明在逆变器电路140中使用的功率模块(功率半导体模块)300U、300V.300W (参照图2)的详细结构。上述功率模块300U 300W均为相同的结构，作为代表说明功率模块300U的构造。另外，图8是用于将功率半导体元件(IGBT328及二极管156等)和导体板的配置与图3 图7所示的功率模块300U相关联地说明的电路图。图3 Ca)是本实施方式的功率模块300U的立体图。图3 (b)是在截面D切断本实施方式的功率模块300U并从方向E看时的截面图。图4是表示为了帮助理解，而从图3所示的状态去除了螺栓309及第二密封树脂351的功率模块300U的图。图4 Ca)是立体图，图4 (b)是与图3 (b)同样在截面D切断且从方向E看时的截面图。另外，图4 (c)是表示对翅片305加压而弯曲部304A变形前的截面图。图5是表示从图4所示的状态进一步去除了模块盒304的功率模块300U的图。图5 (a)是立体图，图5 (b)是与图3 (b)、图4 (b)同样在截面D切断且从方向E看时的截面图。图6是从图5所示的状态进一步去除了第一密封树脂348及配线绝缘部608的功率模块300U的立体图。图7是用于说明模块一次密封体302的装配工序的图。构成上下臂串联电路150的功率半导体元件(IGBT328、IGBT330、二极管156、二极管166)如图5 图7所示，通过导体板315及导体板318，或通过导体板320及导体板319从两面被夹持固定。如图5所示，导体板315等在其散热面露出的状态下通过第一密封树脂348密封，向该散热面热压接绝缘片材333 (参照图4 (C))。如图5所示，第一密封树脂348具有多面体形状(在此为大致长方体形状)。通过第一密封树脂348密封的模块一次密封体302向模块盒304中插入并夹持绝缘片材333，被热压接于作为CAN型冷却器的模块盒304的内面(参照图4 (b))。在此，如图4 (a)所示，CAN型冷却器为在一面具有插入口 306和在另一面具有底的设为筒形状的冷却器。如图3所示，在模块盒304的内部残存的空隙充填有第二密封树脂351。模块盒304由具有电传导性的部件例如铝合金材料(Al、AlS1、AlSiC、Al — C等)构成，且在无接缝的状态下一体成形。模块盒304为除了插入口 306以外不设开口的构造，插入口 306通过凸缘304B包围其外周。另外，如图3 (a)及图3 (b)所示，具有比其它面宽的面的第一散热面307A及第二散热面307B以分别相对的状态配置，以与这些散热面相对的方式配置各功率半导体元件(IGBT328、IGBT330、二极管156、二极管166)。连接该相对的第一散热面307A和第二散热面307B的3个面，构成以比该第一散热面307A及第二散热面307B更窄的宽度密闭的面，在剩余的一边的面形成插入口 306。模块盒304的形状未必是正确的长方体，角也可以构成如图3(a)所示的曲面。通过使用这种形状的金属制的盒，即使将模块盒304插入水及油等冷却剂流入的流路(未图示)内，也能够由凸缘304B确保对于冷却剂的密封，因此，能够以简单的构成防止冷却介质向模块盒304的内部侵入。另外，在相对的第一散热面307A和第二散热面307B上分别均匀地形成有翅片305。另外，在第一散热面307A及第二散热面307B的外周形成有厚度极端薄的弯曲部304A。由于弯曲部304A极端地薄，其厚度达到通过对翅片305加压能够简单地变形的程度，因此，插入模块一次密封体302后的生产性得到提高。如上所述，通过介由绝缘片材333在模块盒304的内壁热压接导体板315等，能够减少导体板315等和模块盒304的内壁间的空隙，能够使功率半导体元件产生的热效率良好地向翅片305传递。另外，绝缘片材333具有一定程度的厚度和柔软性，由此，由绝缘片材333能够吸收热应力的产生，在温度变化激烈的车辆用的电力转换装置中使用的情况变得良好。如图3 Ca)所示，在模块盒304的外面设有用于与电容器模块500电连接的金属制的直流正极配线315A及直流负极配线319A，在其前端部分别形成有直流正极端子315B(157)和直流负极端子319B (158)。另外，设有用于向电动发电机MGl供给交流电力的金属制的交流配线320A，在其前端形成有交流端子320B(159)。本实施方式中，如图6及图8所示，直流正极配线315A与导体板315连接,直流负极配线319A与导体板319连接,交流配线320A与导体板320连接。如图3 Ca)所示，在模块盒304的外面还设有用于与驱动电路174电连接的金属制的信号配线324U及324L，在其前端部分别形成有信号端子325U (154、155)和信号端子325L(164、165)。在本实施方式中，如图6所示，信号配线324U与IGBT328连接，信号配线324L 与 IGBT330 连接。如图5所示，直流正极配线315A、直流负极配线319A、交流配线320A、信号配线324U及信号配线324L通过由树脂材料成形的配线绝缘部608在彼此绝缘的状态下，作为辅助模型体(mold)600 —体地成型。配线绝缘部608也作为用于支承各配线的支承部件发挥作用，其中使用的树脂材料，具有绝缘性的热硬化性树脂或热可塑性树脂是适合的。由此，能够确保直流正极配线315A、直流负极配线319A、交流配线320A、信号配线324U及信号配线324L间的绝缘性，高密度配线成为可能。辅助模型体600在模块一次密封体302和连接部370中进行了金属接合后，通过贯通设于配线绝缘部608的螺纹孔的螺栓309固定于模块盒304 (参照图3)。在连接部370的模块一次密封体302和辅助模型体600的金属接合中，例如可以使用TIG熔接等。直流正极配线315A和直流负极配线319A在将配线绝缘部608夹于中间的相对的状态下彼此层叠，成为大致平行延伸的形状。通过设定为这种的配置及形状，在功率半导体元件开关动作时瞬间流动的电流向相对且逆方向流动。由此，电流形成的磁场成为彼此相抵的作用，通过该作用而成为低电感应化。另外，交流配线320A及信号配线324U、324L也朝向与直流正极配线315A及直流负极配线319A同样的方向延伸。如图3 (b)所示，模块一次密封体302和辅助模型体600通过金属接合连接的连接部370通过第二密封树脂351在模块盒304内密封。由此，在连接部370和模块盒304间能够稳定地确保必要的绝缘距离，因此，与未密封的情况相比较，能够实现功率模块300U的小型化。如图6所示，在连接部370的辅助模型体600侧，辅助模块侧直流正极连接端子315C、辅助模块侧直流负极连接端子319C、辅助模块侧交流连接端子320C、辅助模块侧信号连接端子326U及辅助模块侧信号连接端子326L排列配置成一列。另一方面，在连接部370的模块一次密封体302侧，沿着具有多面体形状的第一密封树脂348的一个面，元件侧直流正极连接端子315D、元件侧直流负极连接端子319D、元件侧交流连接端子320D、元件侧信号连接端子327U及元件侧信号连接端327L排列配置成一列。这样，在连接部370中各端子成为排列为一列的结构，由此，容易进行传递模塑(transfer mold)体的模块一次密封体302的制造。在此，关于将模块一次密封体302从第一密封树脂348向外侧延伸的部分按照其种类作为一个端子看时的各端子的位置关系进行叙述。在以下的说明中，将由直流正极配线315A (含有直流正极端子315B和辅助模块侧直流正极连接端子315C)及元件侧直流正极连接端子31 构成的端子称为正极侧端子，将由直流负极配线319A (含有直流负极端子319B和辅助模块侧直流负极连接端子319C)及元件侧直流负极连接端子319D构成的端子称为负极侧端子，将由交流配线320A (含有交流端子320B和辅助模块侧交流连接端子320C)及元件侧交流连接端子320D构成的端子称为输出端子，将由信号配线324U (含有信号端子325U和辅助模块侧信号连接端子326U)及元件侧信号连接端子327U构成的端子称为上臂用信号端子，将由信号配线324L (含有信号端子325L和辅助模块侧信号连接端子326L)及元件侧信号连接端子327L构成的端子称为下臂用信号端子。上述的各端子均从第一密封树脂348及第二密封树脂351通过连接部370突出，来自其第一密封树脂348的各突出部分(元件侧直流正极连接端子315D、元件侧直流负极连接端子319D、元件侧交流连接端子320D、元件侧信号连接端子327U及元件侧信号连接端子327L)如上所述沿着具有多面体形状的第一密封树脂348的一个面排列成一列。另外，正极侧端子和负极侧端子从第二密封树脂351以层叠状态突出，向模块盒304外伸出。通过设为这种构成，在用第一密封树脂348密封功率半导体元件、制造模块一次密封体302时的合模时，能够防止向功率半导体元件和该端子的连接部分产生过大的应力及模型的间隙。另外，通过在层叠的正极侧端子和负极侧端子中分别流动的相反方向的电流，产生彼此相抵消方向的磁通，因此，能够实现低电感化。在辅助模型体600侧，辅助模块侧直流正极连接端子315C、辅助模块侧直流负极连接端子319C在与直流正极端子315B、直流负极端子319B相反侧的直流正极配线315A、直流负极配线319A的前端部分别形成。另外，辅助模块侧交流连接端子320C在交流配线320A中在与交流端子320B相反侧的前端部形成。辅助模块侧信号连接端子326U、326L在信号配线324U、324L中在与信号端子325U、325L相反侧的前端部分别形成。另一方面，在模块一次密封体302侧，元件侧直流正极连接端子315D、元件侧直流负极连接端子319D、元件侧交流连接端子320D分别形成于导体板315、319、320上。另外，元件侧信号连接端子327U、327L通过接合线371与IGBT328、330分别连接。下面，使用图7说明模块一次密封体302的装配工序。如图7所不,直流正极侧的导体板315及交流输出侧的导体板320、兀件侧信号连接端子327U及327L在与共通的连接杆(tie bar)372连接的状态下，以它们成为大致同一平面状的配置的方式进行一体加工。在导体板315上固定有上臂侧的IGBT328的集电极和上臂侧的二极管156的阴极电极。在导体板320上固定有下臂侧的IGBT330的集电极和下臂侧的二极管166的阴极电极。在IGBT328、330及二极管156、166上，将导体板318和导体板319配置为大致同一平面状。在导体板318上固定有上臂侧的IGBT328的发射极电极和上臂侧的二极管156的阳极电极。在导体板319上固定有下臂侧的IGBT330的发射极电极和下臂侧的二极管166的阳极电极。各功率半导体元件与各导体板介由金属接合部160分别固定。各功率半导体元件为板状的扁平构造，该功率半导体元件的各电极形成为表背面。如图7所示，功率半导体元件的各电极通过导体板315和导体板318、或导体板320和导体板319夹持。即，导体板315和导体板318介由IGBT328及二极管156成为大致平行地相对的层叠配置。同样，导体板320和导体板319介由IGBT330及二极管166成为大致平行地相对的层叠配置。另外，导体板320和导体板318介由中间电极329连接(参照图8)。通过该连接将上臂电路和下臂电路电连接，形成上下臂串联电路。如上所述，在导体板315和导体板318间夹持IGBT328及二极管156，并且，在导体板320和导体板319间夹持入IGBT330及二极管166，将导体板320和导体板318介由中间电极329连接。之后，通过接合线371连接IGBT328的控制电极328A和元件侧信号连接端子327U，并且，通过接合线371连接IGBT330的控制电极330A和元件侧信号连接端子327L(参照图6)。组装到该状态后，将含有功率半导体元件及接合线371的部分用第一密封树脂348密封(参照图5)。这时，从上下用模具按压，通过传递模塑体将第一密封树脂348向模具内充填进行成形。通过第一密封树脂348密封后，切除图7所示的连接杆372，分别分离元件侧直流正极连接端子315D、元件侧交流连接端子320D、元件侧信号连接端子327U、327L。而且，将在一边侧排列成一列的元件侧直流正极连接端子315D、元件侧直流负极连接端子319D、元件侧交流连接端子320D、元件侧信号连接端子327U、327L的各端部分别向同一方向弯折。由此，如图5所示，使模块一次密封体302和辅助模型体600金属接合时的作业容易、且提高生产性，并且，能够提高金属接合的可靠性。图9 Ca)是二极管156的立体图，图9 (b)是IGBT328的立体图。如图9 Ca)所示，续流二极管(FWD)等二极管芯片具有芯片的表面和背面各异的主电极。在二极管156的背面侧形成有与芯片主面大致同一面积的阴极电极156a。另一方面,在二极管156的表面侧形成有比阴极电极156a更小的面积的阳极电极156b。另外,在二极管156的表面侧的外周部形成有护圈156c。在二极管156的表面侧,在阳极电极156b的外周部的空白部全域设有以聚酰亚胺(PI)为基础的钝化膜156d，确保二极管156的表背面的主电极间的耐电压。另一方面，如图9 (b)所示，IGBT328在芯片的表面和背面具有各异的主电极，并且在表面侧具有多个控制电极。在IGBT328的背面侧形成有作为主电极的集电极328a。在IGBT328的表面侧形成有作为主电极的发射极电极328b。作为控制电极的栅电极328c形成于IGBT328的表面侧。另外，在IGBT328的表面侧的外周部形成有护圈328d。另外，在IGBT328的表面侧，在发射极电极328b的外周部及栅电极328c的外周部的空白部全域设有以聚酰亚胺(PI)为基础的钝化膜328e，确保集电极328a和发射极电极328b以及栅电极328c间的耐电压。图10是放大了图7所示的模块一次密封体302的IGBT328及二极管156的附近的分解立体图。图11是将图10所示的导体板318上下反转的立体图。图12是从图10所示的C截面的截面方向看的截面图。图13是图12的代替方案,是从图10所示的C截面的截面方向看的截面图。如图10及图11所示，在导体板318的配置有IGBT328的侧，形成有从导体板318的基部318m朝向该IGBT328突出的第一突出部318h。同样，在导体板318的配置有二极管156的侧形成有从导体板318的基部318m朝向该二极管156突出的第一突出部318i。如图11所示，在第一突出部318h的上表面形成第一突出面318f。另外，在从图11的箭头A方向投影的情况下，第一突出部318h以第一突出面318f的边SI的投影部与导体板318的边S2的投影部重叠的方式形成。另外，二极管156侧的第一突出部318i也是同样的构成，在第一突出部318i的上表面形成第一突出面318d。如图11所示，在第一突出面318f上形成有朝向IGBT328突出的第二突出部318j。同样，在第一突出面318d上形成有朝向二极管156突出的第二突出部318k。如图11所示，在第二突出部318j的上表面形成与IGBT328的发射极电极328b相对的第二突出面322a。另外，在从图11的箭头A方向投影的情况下，第二突出部318j以第二突出面322a的边S3的投影部与形成于导体板318的基部318m和第一突出部318h间的台阶部S4的投影部重叠的方式形成。二极管156侧的第二突出部318k也是同样的构成，在第二突出部318k的上表面形成与二极管156的阳极电极156b相对的第二突出面322b。在第一突出部318h和导体板318的基部318m的一边之间形成有导体板表面318c。另外，在第一突出部318h和第一突出部318i间形成有导体板表面318e。此外，在第一突出部318i和导体板318的基部318m的另一边之间形成有导体板表面318g。如图12所示，第二突出面322a经由金属接合部160与IGBT328的发射极电极328b接合。另外，第二突出面322b经由金属接合部160与二极管156的阳极电极156b接合。在此，IGBT328以多个栅电极328c与第二突出面322a不相对的方式且沿第二突出面322a的边S3的方式配置。多个栅电极328c与作为导体板318的基部318m的表面的导体板表面318c相对配置。另外，金属接合部160以不配置在栅电极328c的周边的方式,配置于IGBT328的发射极电极328b和第二突出面322a间。即，金属接合部160避开栅电极328c，设置于IGBT328的发射极电极328b和第二突出面322a之间。另外，金属接合部160由焊锡材料等构成。在IGBT328的栅电极328c上未形成钝化膜。如图12所示，该栅电极328c通过金属制的导线371与元件侧信号连接端子327U (参照图6)电连接。确保与该导线371的绝缘状态的必要的部件为金属接合部160、导体板318的第二突出部318j及导体板表面318c等。于是，在本实施方式中，第二突出面322a的边S3和导体板表面318c的距离比第二突出面322a的另一边和第一突出面318f的距离及第二突出面322a的另一边和导体板表面318e的距离更大。根据这种结构，能够防止IGBT328的栅电极328c及导线371的耐电压的降低。进而，通过上述结构，使从IGBT328向导体板318传递的热能够高效地在导体板318内传导，因此，能够提高IGBT328的散热效率。S卩，如图11所示，第一突出面318f以在高度方向与第二突出面322a最近的距离形成，其次，导体板表面318e以在高度方向与第二突出面322a近的距离形成。在高度方向形成为与第二突出面322a最远的距离的面为导体板表面318c。由此，能够大幅促进向图11所示的热的传导方向B的热传导。另外，在图12中，用点线箭头表示来自IGBT328的热以45°扩展时的扩散路径。导体板表面318e与导体板表面318c相比与第一突出面318f更接近地形成，因此，表示了传递路径扩展区域A’的部分。因此，能够防止耐电压的低下，并且，能够实现大幅的散热性的提闻。因此，根据本实施方式，在第一突出部318h和第二突出部318 j间能够确保用于传导作为功率半导体元件的IGBT328的热的传热路径。同样，在第一突出部318i和第二突出部318k间能够确保用于传导作为功率半导体元件的二极管156的热的传热路径。另外，根据本实施方式，在第一导体板318的表面和作为IGBT328的控制电极的栅电极328c间能够确保充分的绝缘距离。另外，在制造如图11所示的导体板318的情况下，如后所述，从生产性的观点考虑优选通过拉制金属部件的工序进行。由此，能够防止耐电压的低下，并且，能够实现大幅的散热性的提高，另外能够提高导体板318的生产性。图13是表不导体板318的其它实施例的截面图。导体板318优选以导体板表面318c与IGBT328的栅电极328c不相对的方式减小表面积而形成。原因是用于确保安装导线371的夹具的插入空间及导线371的配置空间。另外，图10 图13所示的导体板318通过第一突出面318f和导体板表面318c以及导体板表面318e设置多个台阶，因此，图3 (b)所示的第一密封树脂348与导体板318强固地固定。在使用汽车的环境温度即一 45°C 125°C的温度循环过程中，金属接合部160的变形所导致的裂纹的产生可能会导致电力转换装置的可靠性降低。但是，通过本实施方式，用于保护导体板318、金属接合部160及IGBT328的第一密封树脂348在导体板318上被强固地固定，因此，结果是能够抑制金属接合部160及IGBT328的变形，能够使电力转换装置的可靠性提高。
图14是图10 图13所示的导体板318的制造工序的说明图。图14 (a)是表示通过拉制法制作的板材料的图。拉制面Fl是通过后述的工序形成第二突出面322a及第一突出面318f的面。拉制面F2是通过后述的工序形成第二突出面322b及第一突出面318d的面。拉制面F3是通过后述的工序形成导体板表面318c的面。拉制面F4是通过后述的工序形成导体板表面318e的面。拉制面F5是通过后述的工序形成导体板表面318g的面。通过图14(a)的拉制法形成设有台阶的导体板表面，由此，与轧制等其它的制作法相比，能够提高拉制面Fl F5的厚度精度。另外，在IGBT328及二极管156的表面主电极的宽度及长度彼此各异的情况下，可分别变更拉制面Fl及F2的宽度。而且，即使在IGBT328及二极管156的厚度彼此各异的情况下，也能够用第一突出部318h及318i的厚度分别调整其差值，不损害生产性，且能够高精度地调整。图14 (b)是表示对通过图14 (a)的拉制法制作的板材料施加了冲压工序后的导体板318的图。拉制面Fl及F2以残留与图14 (b)的第二突出面322a及322b对应的部分的方式，对与第一突出面318f及318d对应的部分通过冲压工序施加压力以凹进去。由此，即使IGBT328及二极管156的表面主电极的宽度及长度各异，也能够对各部位分别变更冲压加工的面积，因此，不损害生产性，且可进行高精度地调整。这样，在加工平板材料后通过另外的工序制作突出部，由此，与通过切削、蚀刻来对平板材料进行削除以制作突出部比较，能够制作生产性和面方向的位置精度及厚度方向的精度优异的导体板。另外，为了确保导体板318和第一密封树脂348 (参照图3)的密接性，优选对导体板318实施化学蚀刻的粗化处理、喷砂处理、阳极氧化处理、冲压的凹凸形成处理、表面包覆处理(例如，以聚酰亚胺为基础的物质的包覆〕等处理。通过该处理，与未处理的情况相比能够将导体板面和树脂的密接强度(剪切强度，剥离强度)提高2 3倍以上。另外，优选将实施上述的粗化处理等的定时设在图14 (a)所示的拉制工序后且图14 (b)所示的冲压工序前。由此，沿图14 (a)的拉制方向D容易地一并实施粗化处理等，因此，生广性大幅提闻。另外，在与图14 (b)的冲压面相当的第一突出面318f、318d，在冲压工序时同时实施凹凸加工，由此，能够进一步提高导体板318和第一密封树脂348 (参照图3)的密接性。图14 (C)是通过电子显微镜放大了图14 Ca)的拉制面Fl的概念图。可知沿拉制方向D存在宽度2 μ m、长度10 数百μ m的压痕331。研究了以Sn —Ag系及Sn — Cu系的Sn为基础的焊锡的湿润扩展(濡広力5.9)方向。其结果,焊锡向相对于压痕331的形成方向垂直的方向的湿润扩展小。即，可知在与拉制方向D垂直的方向上，焊锡难以湿润扩展，来自第二突出面322a的焊锡溢出和泄露难以产生。利用该现象，导体板318的拉制方向D与沿IGBT328的栅电极328c排列方向的边(图11的边S3)成为同方向。由此，能够防止从第二突出面322a向栅电极328c侧的焊锡的溢出和泄露，能够使成品率提闻。另外，在以Cu或Al为基础的导体板318表面实施I μ m以上的厚度的Ni镀层(电解镀层、无电解镀层、溅射膜)，使用含有3 7质量％的Cu的Sn基焊锡，在接合导体板318和功率半导体元件后，在焊锡和Ni镀层的接合界面生成以Cu6Sn5为基础的层。
该Cu6Sn5层通过使用环境下的温度上升产生的、作为抑制Sn和Ni的相互扩散的阻挡层发挥功能。由此，抑制Ni镀层的消耗，能够长时间维持接合初期状态的可靠性高的接合结构，因此，功率模块的可靠性提高。另一方面，在Cu (导体板)上直接接合以Sn为基础的焊锡后，在接合初期，在Sn(焊锡)和Cu (导体板)的接合界面形成Cu6Sn5层，但是，在接合温度及接合保持时间变长时，在上述Cu6Sn5层和Cu (导体板)的界面生成脆的Cu3Sn层。测定剪切强度及抗拉强度的结果是，因Cu3Sn层的形成而产生强度降低。另外，在该状态下在进行考虑了使用环境的一 45°C 125°C (在各温度保持30分钟)的热循环试验时，产生Cu3Sn层的成长，随着热循环数的进行而产生了强度降低。这样，在导体板的表面凃敷Ni镀层，由Sn — 3 7Cu焊锡构成金属接合部160，由此，容易维持初期的健全的接合状态，因此，与在Cu (导体板)上直接接合以Sn为基础的焊锡的情况相比，能够提供可靠性更高的功率模块。另外，在以Al为基础的导体板318表面，实施Cu镀层或Ni镀层，在使用以Sn为基础的焊锡接合导体板318和功率半导体元件的情况下，对能够降低空隙率的功率模块的制造方法进行说明。近年来，为了环境保护，寻求使用不含Pb的焊锡的电气制品。尤其是，在使用以Sn为基础的焊锡进行接合的情况下，溶融开始温度比Pb基焊锡的溶融开始温度300°C附近更低，例如为200°C左右。随之，即使通过熔剂(flux)及氢等将接合氛围气设为还原氛围气，在Sn基焊锡的溶融开始时Cu及Ni镀层表面也残存自然氧化皮膜。Cu及Ni的氧化皮膜的还原与粒内比较从粒界开始，因此，Sn的湿润扩展不均一且卷入气体，在溶融的Sn中卷入通过Cu及Ni的氧化皮膜还原而生成的气体，由此可知，与使用以Pb为基础的焊锡的情况下比较，空隙率上升。关注在焊锡溶融开始前进行存在于接合面的氧化皮膜的还原，在导体板突出面的Cu及Ni镀层上进一步实施Ag镀层。其结果可知，即使还原氛围气(氢等)、非活性氛围气(氮等)任一氛围气，在Sn基焊锡溶融开始前氧化皮膜也会被还原，也能够抑制起因于上述的湿润扩展的不均一的气体的卷入、伴随溶融后的氧化皮膜还原的气体的卷入、在接合后存在的空隙与未实施Ag镀层的情况相比较降低20%。同样，即使实施Au镀层也可获得与Ag同样的效果。这样，通过在Cu及Ni镀层上实施Ag及Au镀层，能够进一步降低接合部的空隙率，提高功率模块的散热性及寿命。另外，通过从Ni镀层上镀Au及Ag，用Sn — 3 7Cu焊锡进行接合，能够制成对温度上升的耐性高的接合界面。另外，通过在图14 (a)所示的拉制工序后且图14 (b)所示的冲压工序前进行上述的镀层处理法和上述的粗化处理方法，生产性大幅提高。如图16所示，相对于导体板318，在搭载有IGBT328及二极管156的与第二突出面322a及322b对应的部分，掩蔽点状镀层或除了该面以外的面，对与第二突出面322a及322b对应的部分实施镀层处理。之后在实施了上述的粗化处理后，进行图14 (b)所示的冲压工序。由此，在导体板318为拉制材料的状态下，能够一并处理上述的镀层处理和粗化处理，因此，能够提供比间歇处理的生产性更高的制造方法。另外，在Ni镀层后的导体板的粗化、Ag镀层后的导体板的粗化时，通过选择仅在导体板318的面产生反应的粗化液，能够提供不需要掩蔽镀层面且能够进一步提高生产性的制造方法。另外，在图14 (a)的拉制面Fl及F2上，也可以沿拉制的方向D条纹状地实施镀层面。由此，可比点状的掩蔽更容易掩蔽。另外，与点状镀层相比可进行高速处理。而且，对导体板318的其它的拉制面F3 F5粗化处理。在粗化处理时，通过选择粗化液，能够省略对镀层面的掩蔽。而且，在进行图14 (b)的冲压加工，制作第二突出面322a及322b时，在第一突出面318f及318g上残存镀层。由此，在焊锡溢出时，在镀层的方向(拉制方向D)能够避开焊锡。尤其是在Ag镀层的情况下，不仅压痕的效果，而且包覆金属种类不同导致的效果也增加，因此，其效果变大。图15是第二实施方式的模块一次密封体302的分解立体图。与第一实施方式的不同之处为在导体板315也经由与导体板318同样的工序形成同样的突出部等。在导体板315上分别形成有:第一突出部315h、第一突出部3151、第二突出部315j、第二突出部315k、第二突出面352a、第二突出面352b、第一突出面315f、第一突出面315d、导体板表面315c、导体板表面315e、导体板表面315g。另外，第二突出面352a与未形成有IGBT328的栅电极328c的集电极328a相对，因此，需要形成为比第二突出面322a大。因此，第一突出部315h的宽度形成为比第一突出部318h的宽度更大。通过如本实施方式那样构成，在第二突出面322a和第二突出面352a间，IGBT328介由金属接合部160分别与第二突出面322a及第二突出面352a接合。另外，在第二突出面322b和第二突出面352b间，二极管156介由金属接合部160分别与第二突出面322b及第二突出面352b接合。导体板315、318、IGBT328及二极管156通过树脂密封，因此，树脂和导体板315及导体板318通过多个台阶密接且降低金属接合部160的变形。另外，能够抑制导体板315的散热性的大幅受损。另外，通过第一实施方式及第二实施方式说明的导体板318为IGBT328和二极管156分别为I个情况，但是，也可以沿第一突出部318h的形成方向形成两个第二突出部318j，再沿第一突出部318i的形成方向形成两个第二突出部318k，相对于一个导体板31B分别连接两个IGBT328和二极管156。另外，在上述实施方式中，将台阶部S4制作为作为基部318m和第一突出部318h的边界的棱线(角部)(参照图11)，但是，本发明不限于此。也可以将棱线附近的部位制作为台阶部。也可以将基部318m的导体板表面318c整体以及含有第一突出部318h及第二突出部318j的垂直面整体的部分制作为台阶部。在以含有第一突出部318h及第二突出部318j的垂直面整体的方式制作台阶部的情况下，只要至少台阶部的垂直面的一部分与第二突出面322a的边S3重叠即可。因此，即使在基部318m和第一突出部318h的边界不是作为角部而是作为弯曲部形成的情况下，也能够使用本发明。在上述中，说明了各种实施方式及变形例，但是，本发明不限于这些内容。在本发明的技术思想的范围内考虑的其它的方式也包含在本发明的范围内。如下的优先权基础申请的公开内容作为引用文献编入此说明书。日本国专利申请2010年第220252号(2010年9月30日申请)
权利要求
1.一种功率半导体模块，其特征在于，具备: 功率半导体元件，其在一个主面上形成有多个控制电极； 第一导体板，其与所述功率半导体元件的所述一个主面介由第一焊锡材料接合；和 第二导体板，其与所述功率半导体元件的另一个主面介由第二焊锡材料接合， 在所述第一导体板形成有从该第一导体板的基部突出且在上表面具有第一突出面的第一突出部， 在所述第一导体板的所述第一突出面形成有具有与所述功率半导体元件的所述一个主面相对的第二突出面的第二突出部， 所述第一焊锡材料设置在所述功率半导体元件和所述第一导体板之间，避开所述多个控制电极， 进而，在从所述功率半导体元件的所述一个主面的垂直方向投影的情况下， 所述第二突出部以所述第二突出面的规定边的投影部与形成于所述第一导体板的基部和所述第一突出部间的台阶部的投影部重叠的方式形成， 所述功率半导体元件的所述多个控制电极沿所述第二突出面的所述规定边形成。
2.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于: 所述功率半导体元件以所述功率半导体元件的所述控制电极与未形成所述第一突出部的所述第一导体板的基部的表面相对，并且沿着所述第二突出面的所述规定边的方式配置。
3.如权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于: 未形成所述第一突出部的所述第一导体板的基部的表面相对于所述第二突出面比所述第一突出面更远地形成。
4.一种功率半导体模块的制造方法，该功率半导体模块具有与功率半导体元件的一个主面相对的第一导体板和与所述功率半导体元件的另一个主面相对的第二导体板，该功率半导体模块的制造方法的特征在于，具有: 第一工序，在所述第一导体板的一个面形成具有第一突出面的第一突出部的情况下，以该第一突出面的相对的规定的2边与所述第一导体板的相对的规定的2边分别重叠的方式通过拉制形成；和 第二工序，在形成形成于所述第一突出面并且具有第二突出面的第二突出部的情况下，通过冲压所述第一突出面的一部分形成所述第二突出面。
5.如权利要求4所述的功率半导体模块的制造方法，其特征在于: 所述第一工序包括在所述第一突出面上涂覆与焊锡材料接合的金属镀层的工序。
全文摘要
本发明提供一种功率半导体模块，具备在一个主面上形成有多个控制电极的功率半导体元件；与功率半导体元件的一个主面介由第一焊锡材料接合的第一导体板；和与功率半导体元件的另一个主面介由第二焊锡材料接合的第二导体板。在第一导体板形成有从该第一导体板的基部突出且在上表面具有第一突出面的第一突出部。在第一导体板的第一突出面形成有具有与功率半导体元件的一个主面相对的第二突出面的第二突出部。第一焊锡材料设置在功率半导体元件和第一导体板之间，且避开多个控制电极。在从功率半导体元件的一个主面的垂直方向投影时，第二突出部以第二突出面的规定边的投影部与形成于第一导体板的基部和第一突出部间的台阶部的投影部重叠的方式形成。功率半导体元件的多个控制电极沿着第二突出面的规定边形成。
文档编号H01L25/18GK103081104SQ20118004118
公开日2013年5月1日 申请日期2011年9月5日 优先权日2010年9月30日
发明者井出英一, 平光真二, 宝藏寺裕之, 露野圆丈, 中津欣也, 德山健, 松下晃, 高木佑辅 申请人:日立汽车系统株式会社