本发明涉及半导体器件和功率转换器。
背景技术：
与具有功率半导体的功率模块相关的已知技术的示例包括以下内容。一个示例是日本专利申请公开第2013-106503号，描述了包括多个功率模块的逆变器，其中，通过将在连接点使串联连接的两个电容器接地而形成的Y电容器用作噪声旁路装置。
另一个示例是日本专利申请公开第2015-095963号，描述了与用于功率转换器的平板状汇流条有关的技术，该功率转换器包括封装在树脂中以形成一个模块的上臂和下臂开关元件。该汇流条具有设置成在厚度方向上至少部分地彼此交叠的P电极和N电极，其间夹有绝缘层，并且由表面帖装型电容元件形成的缓冲电路电连接在P电极和N电极之间。
技术实现要素：
由于功率器件性能的改进以及安装技术和冷却技术的进步，具有功率半导体的功率模块正朝着更高的功率密度和更小的尺寸方向发展。这种趋势已经引起了表面上确保沿面距离的影响，以确保由于热设计原因受尺寸限制而到目前为止被掩盖的半导体的绝缘性能。如果功率模块今后要进一步小型化，则需要降低产生高电压的电端子之间的绝缘距离。
在功率器件高速操作的情况下，由于导线的寄生电感导致高浪涌电压，这使得绝缘设计更加困难。由于功率模块的绝缘性能是由沿面放电确定的，因此需要确保电端子之间的绝缘距离。但是，这样做会增加功率模块的尺寸。
本发明涉及抑制发生在电端子之间的沿面放电。
作为本发明的示例方面是一种半导体器件。该半导体器件包括：至少一个功率半导体元件；密封树脂，其被布置成密封所述功率半导体元件；以及多个电端子，每个电端子电连接至所述功率半导体元件，并且每个电端子都包括从所述密封树脂的表面突出的突出部。所述突出部包括第一部分，所述第一部分以所述突出部的突出方向被设置在所述密封树脂的一侧上，并且所述第一部分的与所述突出方向相交的截面具有圆形和类椭圆形中的一种形状。
所述突出部可以包括第二部分，所述第二部分具有平板形状，并且所述第二部分以所述突出方向被设置在前端的一侧上；以及第一部分的与突出方向相交的截面的面积与第二部分的与突出方向相交的截面的面积可以相等。
第一部分的在端子可以排列的端子排列方向上的端面是曲面，该曲面具有与所述第一部分的在与所述端子排列方向相交的方向上的长度的一半的倒数相对应的曲率。
功率半导体元件可以包括第一晶体管和第二晶体管，电端子可以包括：连接至第一晶体管的集电极的第一电端子、连接至第二晶体管的发射极的第二电端子以及连接至第一晶体管的发射极和第二晶体管的集电极的第三电端子。
作为本发明的示例方面是一种功率转换器。该功率转换器包括：多个半导体器件，所述多个半导体器件与夹在中间的冷却器堆叠。所述半导体器件中的每一个包括：至少一个功率半导体元件；密封树脂，其被布置成密封所述功率半导体元件，以及多个电端子，每个电端子电连接至功率半导体元件，并且每个电端子都具有从密封树脂的表面突出的突出部。所述突出部包括第一部分，所述第一部分以所述突出部的突出方向被设置在所述密封树脂的一侧上，并且所述第一部分的与所述突出方向相交的截面具有圆形和类椭圆形中的一种形状；以及第二部分，其具有平板形状并且以突出方向被设置在前端的一侧上。
本发明可以抑制在电端子之间发生的沿面放电。
附图说明
下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义进行描述，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是示出根据本发明的实施方式的功率模块的构造的立体图；
图2是根据本发明的实施方式的功率模块的平面图；
图3A是沿图2中的线IIIA-IIIA截取的截面图；
图3B是沿图2中的线IIIB-IIIB截取的截面图；
图4A是沿图2中的线IVA-IVA截取的截面图；
图4B是沿图2中的线IVB-IVB截取的截面图；
图5是示出本发明的功率模块的构造的等效电路图；
图6是示出根据本发明的实施方式的逆变器的构造的电路图；
图7是根据本发明的实施方式的逆变器的截面图；
图8是示出根据本发明的实施方式的功率模块的电端子之间产生的电压浪涌的波形的图；
图9A是示出在电端子之间产生的电压浪涌的波形中的一个时刻根据本发明的实施方式的功率模块的电端子间产生的现象的图；
图9B是示出在电端子之间产生的电压浪涌的波形中的一个时刻根据本发明的实施方式的功率模块的电端子间产生的现象的图；
图9C是示出在电端子之间产生的电压浪涌的波形中的一个时刻根据本发明的实施方式的功率模块的电端子间产生的现象的图；
图10是示出根据比较例的功率模块的构造的立体图；
图11是根据比较例的包括功率模块的逆变器的截面图；
图12A是示出根据本发明的实施方式的电端子的突出部的第一部分的截面形状的另一示例的截面图；
图12B是示出根据本发明的实施方式的电端子的突出部的第一部分的截面形状的另一示例的截面图；
图13是示出根据本发明的另一实施方式的功率模块的构造的立体图；
图14是沿图13中的线XIV-XIV截取的截面图；以及
图15是示出根据本发明的实施方式的功率模块中的电端子之间与根据比较例的功率模块中的电端子之间的电场分布的曲线图。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的实施方式进行描述。在附图中，基本相同或等同的那些部件或部分由相同的附图标记表示。
图1是示出作为根据本发明的第一实施方式的半导体器件的功率模块10的构造的立体图。图2是功率模块10的平面图。图3A是沿图2中的线IIIA-IIIA截取的截面图，以及图3B是沿图2中的线IIIB-IIIB截取的截面图。图4A是沿图2中的线IVA-IVA截取的截面图，以及图4B是沿图2中的线IVB-IVB截取的截面图。图5是功率模块10的等效电路图。
如图3A和图5所示，功率模块10包括串联连接的两个功率半导体元件11A、11B。功率半导体元件11A、11B是诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的功率器件。然而，功率半导体元件11A、11B可以是除了IGBT之外的功率器件，如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极晶体管。如图5所示，功率模块10具有连接至功率半导体元件11A的集电极的P端子20P、连接至功率半导体元件11B的发射极的N端子20N以及连接至功率半导体元件11A的发射极和功率半导体元件11B的集电极的O端子20O。二极管40A、40B分别连接在功率半导体元件11A的发射极和集电极之间以及在功率半导体元件11B的发射极和集电极之间。
如图3A所示，散热器13A、13B分别通过焊料12与功率半导体元件11A、11B的一侧接合。散热器15A、15B分别通过间隔件14与功率半导体元件11A、11B的另一侧接合。散热器13A、13B、15A、15B和间隔件14各自由具有相对较高导热率的材料(例如Cu)制成。因此，根据实施方式的功率模块10是在功率半导体元件11A、11B的两侧上具有散热路径的双侧冷却功率模块。
功率半导体元件11A、11B、散热器13A、13B、15A、15B和间隔件14由模制树脂16密封，并被嵌入到模制树脂16的内部。例如，模制树脂16可以是环氧树脂。然而，模制树脂16仅仅是密封树脂的一个示例，而密封树脂不限于此方面。散热器15A、15B的表面从模制树脂16的表面S1露出。类似地，散热器13A、13B的表面从模制树脂16的表面S2露出。在该实施方式中，散热器15A电连接至O端子20O，并且散热器15B电连接至N端子20N。散热器13A电连接至P端子20P，并且散热器13B电连接至O端子20O。
功率模块10具有电连接至功率半导体元件11A、11B中的至少一个的电端子30P、30N、30O。电端子30P、30N、30O分别构成P端子20P、N端子20N和O端子20O。
如图1、图2和图3B所示，电端子30P、30N、30O各自具有嵌入到模制树脂16内部的部分31和从模制树脂16的表面S3突出的突出部32。电端子30P、30N、30O被设置成沿着与突出部32的突出方向(Y方向)正交的方向(X方向)间隔开。
电端子30P、30N、30O的突出部32各自具有设置在模制树脂16的一侧(基部侧)的第一部分32a和设置在突出部32的突出方向(Y方向)的前端侧的第二部分32b。突出部32的第一部分32a和第二部分32b在形状上彼此不同。在该实施方式中，突出部32的第一部分32a具有柱状形状。因此，突出部32的第一部分32a的与突出方向(Y方向)正交的截面(与X-Z平面平行的截面)具有如图4A所示的圆形形状。另一方面，突出部32的第二部分32b具有与X-Y平面平行的平坦表面的平板形状，并且突出部32的第二部分32b的与突出方向(Y方向)正交的截面(与X-Z平面平行的截面)具有如图4B所示的矩形形状。在该实施方式中，突出部32的第二部分32b在X-Y平面中的平面形状为如图2所示的矩形。然而，第二部分32b不限于该方面，并且可以具有任意形状。此外，突出部32的第二部分32b的平坦表面的方向可以围绕与突出部32的突出方向平行的轴线(Y轴)作为转动轴线转动任意角度。
突出部32的第一部分32a的与突出方向正交的截面(与X-Z平面平行的截面)的面积与突出部32的第二部分32b的与突出方向正交的截面(与X-Z平面平行的截面)的面积相同。具体地，当图4A中所示的圆的直径为D并且图4B中所示的矩形的宽度和高度分别为W和H时，满足下式(1)：
π×(D/2)2＝W×H...(1)
这样将截面面积设定为相等的目的是为了限定所需的最小截面面积，以减少在高电流通过电端子时发生的损耗。增加该最小截面面积会导致重量和尺寸的不希望的增加。
图6是示出根据本发明的将三个功率模块10组合而形成的实施方式的作为功率转换器的逆变器100的构造的电路图。逆变器100将直流电力变换为三相交流电力以驱动马达50。构成逆变器100的三个功率模块10分别对应于三相交流电的U相、V相和W相。各功率模块10的功率半导体元件11A、11B分别作为各相的上臂开关和下臂开关起作用。马达50通过以规定的定时来接通和关断各相的功率半导体元件11A、11B而被驱动。
图7是包括三个功率模块10的逆变器100的截面图。三个功率模块10与夹在其间的冷却器60堆叠。具体地，冷却器60和功率模块10交替地堆叠，其中，冷却器60接合到每个功率模块10的两侧。冷却器60由诸如Al的金属制成。冷却器60的冷却方法可以是空气冷却方法或水冷却方法。在各冷却器60与各功率模块10之间设置有由诸如SiN的陶瓷制成的绝缘板61，以使得从模制树脂16的表面露出的散热器13A、13B、15A、15B和冷却器60彼此绝缘。
下面将描述如何沿着模制树脂的表面放电即沿面放电(发生在功率模块的电端子之间)的机制。在使用多个功率模块来形成图6所示的逆变器并且操作这些功率模块的情况下，在功率模块的电端子之间出现如图8所示的波形的浪涌电压。图9A、图9B和图9C是示出在图8所示的各个时间点处在电端子之间出现的现象的图。图9A至图9C示出了电端子30的从模制树脂16突出的突出部分具有柱状形状的模型情况。
在时间t1处，在电端子30之间出现峰值电压Vp的浪涌电压的波形中，电端子30的表面附近的电场变得最强，导致电端子30的表面附近的局部放电(初始电荷的生成)(图9A)。
在出现峰值电压Vp之后，在发生具有恒定电压电平的保持电压Vh的时刻t2，由局部放电引起的被释放的电荷开始移动并到达相对的电端子30附近。这些电荷被称为异电荷(heterocharge)。异电荷是存在于相对的电端子30附近并且具有与电端子30的极性相反的极性的电荷。在异电荷和电端子30之间发生电场的集中(图9B)。
此后，在电端子30之间出现浪涌电压的波形中的下一个峰值电压Vp的时刻t3，发生电场的进一步集中，这导致雪崩放电并且最终导致绝缘击穿(图9C)。
可以看出，根据这种发生沿面放电的机制，局部放电是导致绝缘击穿的火花放电的起点。因此，如果抑制局部放电，则可以抑制沿面放电，这将改进电端子之间的绝缘性能。
图10是示出根据比较例的功率模块10X的构造的立体图。在根据比较例的功率模块10X中，电端子30XP、30XN、30XO的形状与根据实施方式的功率模块10的电端子的形状不同。具体地，根据比较例的功率模块10X的电端子30XP、30XN、30XO的突出部32(从模制树脂16的表面S3突出)具有简单的长方体平板形状。当电端子30XP、30XN、30XO的突出部32因此具有简单的长方体平板形状时，在电端子30XP、30XN、30XO的拐角处趋于发生电场集中，并且沿着模制树脂16的表面的沿面放电趋于出现在电端子30XP、30XN之间的区域G1中或在电端子30XN、30XO之间的区域G2中。
图11是将根据比较例的功率模块10X与冷却器60交替地堆叠而形成的逆变器100X的截面图。在根据比较例的功率模块10X中，不仅在电端子30XP、30XN、30XO之间的沿面放电而且沿着模制树脂16和绝缘板61的表面的沿面放电趋于发生在这些电端子与冷却器60之间的区域G3中。
在根据本发明的实施方式的功率模块10中，如图4A所示，电端子30P、30N、30O的从模制树脂16突出的突出部32的第一部分32a(设置在模制树脂16的一侧)的截面具有圆形形状。具有这种没有边缘的平滑弯曲形状的第一部分32a可以减轻电端子30P、30N之间以及电端子30N、30O之间的侧表面区域中的电场集中。因此，抑制了局部放电(作为放电起点的初始电子的产生)，并且从而抑制了沿面放电。因此，在根据本发明的实施方式的功率模块10中，可以增强电端子之间的绝缘性能。具体地，突出部32的具有圆形截面形状的第一部分32a可以有效地抑制不均匀的电场并提高绝缘性能改善效果。随着电端子之间的绝缘性能的改善，根据实施方式的功率模块10需要在电端子之间的距离比传统的功率模块更短以确保端子之间的绝缘。因此，功率模块10可以比传统的功率模块更紧凑。
另外，如图7所示，当多个功率模块10与夹在其间的冷却器60堆叠时，可以抑制在电端子30P、30N、30O和冷却器60之间沿着模制树脂16和绝缘板61的表面发生的沿面放电。因此，在根据实施方式的功率模块10中，不仅在电端子30P、30N、30O之间而且在这些电端子与冷却器60之间的绝缘性能可以得到改善。
在根据实施方式的功率模块10中，设置在电端子30P、30N、30O的突出部32的前端侧上的第二部分32b具有平板形状。期望电端子30P、30N、30O通过平板状汇流条(未示出)连接至诸如马达的外部装置。如果电端子30P、30N、30O的突出部32仅由柱状部分形成，则不能确保平板状汇流条与柱状电端子之间的接触区域，因此接触电阻增加。由于高电流流过电端子30P、30N、30O，所以较高的接触电阻导致较大的损耗。因此，平板状的第二部分32b设置在电端子30P、30N、30O的突出部32的前端侧上，从而在第二部分32b处将电端子30P、30N、30O和汇流条连接至彼此。因此，可以确保电端子30P、30N、30O与汇流条之间的大面积接触，从而可以避免接触电阻的增加。
因此，在根据实施方式的功率模块10中，设置在电端子30P、30N、30O的突出部32的模制树脂侧(基部侧)上的第一部分32a具有可以抑制沿面放电(局部放电)的这样的平滑弯曲形状，而不涉及沿面放电的设置在突出部32的前端侧上的第二部分32b具有适合于与汇流条电连接的平板形状。
在根据实施方式的功率模块10中，电端子30P、30N、30O中每一个的突出部32的第一部分32a的与突出方向正交的截面(图4A所示的截面)的面积与突出部32的第二部分32b的与突出方向正交的截面(图4B所示的截面)的面积相等。为了使高电流通过电端子30P、30N、30O，每个电端子需要具有预定的或更大的截面面积。当突出部32的第一部分32a和第二部分32b的截面面积被设定为相等时，可以确保沿着整个电端子30P、30N、30O所需的截面面积。
在实施方式中，已经示出了突出部32的第一部分32a的与突出方向正交的截面具有圆形形状的情况，但是第一部分32a不限于此方面。例如，如图12A和图12B所示，突出部32的第一部分32a的与突出方向正交的截面可以具有类椭圆形。类椭圆形包括如图12A所示的椭圆形状、如图12B所示的所谓的长椭圆形状和类似的形状。长椭圆形状是指通过外部公共切线连接相同半径的两个半圆而形成的形状。另外，在突出部32的第一部分32a的与突出方向正交的截面形状为类椭圆形的情况下，也可以抑制在电端子之间产生的沿面放电以及在电端子和冷却器之间产生的沿面放电。
图13是示出根据本发明的第二实施方式的功率模块10A的构造的立体图。图14是沿图13中的线XIV-XIV截取的截面图。功率模块10A在电端子30P、30N、30O的形状上与根据第一实施方式的功率模块10不同。具体地，功率模块10A的电端子30P、30N、30O的突出部32的与突出方向(Y方向)正交的截面(与X-Z平面平行的截面)具有如图14所示的长椭圆形状。更具体地，电端子30P、30N、30O的突出部32的在端子排列方向(X方向)上的端面是曲面，该曲面具有与突出部32的在与端子排列方向(X方向)正交的板厚方向(Z方向)上的厚度T的一半的倒数(2/T)相对应的曲率。换句话说，如在图14所示的截面中看到的，突出部32的在端子排列方向(X方向)上的每个端部具有半径T/2的半圆形状。这是一种需要最少量处理的形状。
具有图13和图14所示形状的电端子30P、30N、30O可以减轻电端子30P、30N之间和电端子30N、30O之间的侧表面区域中的电场集中。因此，抑制了在电端子之间发生的沿面放电，并且可以增强电端子之间的绝缘性能。另外，如图7所示，当多个功率模块10与夹在其间的冷却器60堆叠时，可以抑制在电端子30P、30N、30O和冷却器60之间发生的沿面放电。因此，如在根据第一实施方式的功率模块10中那样，在根据本实施方式的功率模块10A中，不仅在电端子30P、30N、30O之间而且在这些电端子与冷却器60之间的绝缘性能可以得到改善。
图15是示出在根据本发明的第二实施方式的功率模块10A中和根据比较例的功率模块10X(参见图10)中在电端子(与图10所示的区域G1、G2相对应的区域)之间的电场分布的图。在图15中所示的图中，纵轴表示电场强度，横轴表示端子排列方向(X方向)上的位置，其中，以电端子30P的右端作为X方向位置的零点。在图15所示的图中，实线对应于根据本发明的第二实施方式的功率模块10A，虚线对应于根据比较例的功率模块10X。
如图15所示，在根据本发明的第二实施方式的功率模块10A中的电端子附近的电场强度可以比在根据比较例的功率模块10X中的电场强度低。这意味着功率模块10A可以减轻电端子附近的电场集中，并由此抑制了局部放电。
由于电端子30P、30N、30O的突出部32具有平坦表面，所以根据本发明的第二实施方式的功率模块10A可以确保与汇流条的接触面积。因此，不需要将突出部32的基部侧和前端侧形成为如根据第一实施方式的功率模块10那样的不同的形状。
因此，在根据本发明的第二实施方式的功率模块10A中，仅通过执行在端子排列方向(X方向)上处理电端子30P、30N、30O的端面的最小量的处理，可以减轻在电端子之间形成的侧表面区域中以及在每个电端子和冷却器之间的侧表面区域中的电场集中。因此，与传统的功率模块相比，可以减小用于确保端子之间的绝缘所需的电端子之间的距离，并且功率模块10可以比传统的功率模块更紧凑。
可以采用根据本发明的第二实施方式的功率模块10A中的电端子的突出部32的形状，作为根据第一实施方式的功率模块10的电端子的突出部32的第一部分32a的形状。