电力变换装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及变换器(inverter)、伺服控制器(servo controller)、UPS等使用了功率半导体元件的电力变换装置。
【背景技术】
[0002]由功率半导体等构成的电力变换装置从家用空调、冰箱等民用设备到变换器、伺服控制器等工业用设备，在跨越大范围的领域中普及应用。
[0003]从消耗电力的方面考虑，功率半导体被安装于金属基底基板和/或陶瓷基板等布线板。通过在该布线板安装功率半导体等一个或多个电路元件，粘接塑料壳体框，并由硅凝胶和/或环氧树脂等进行密封，从而构成功率半导体模块。
[0004]另一方面，为了降低制造成本，也有根据传递成型法制造的实型功率半导体模块(例如，参见专利文献I)。
[0005]通常，电力变换装置将上述所记载的功率半导体模块用于主电路，并另外构成有电源电路和/或控制用电路。电源电路和/或控制用电路由IC、LS1、电阻、电容、电感等各种部件构成，通常安装于印刷布线板。
[0006]图6是示出以往的电力变换装置的结构的一例的截面图。如图6所示，为了提高散热性，功率半导体模块30借由散热润滑脂安装在热沉31上。然后，安装有电子电路部件的印刷布线板32和印刷布线板33被配置于功率半导体模块30的上方，各印刷布线板32、33由销34等接合。然后，如图6所示，从印刷布线板32的上方直到各印刷布线板32、33和功率半导体模块30的侧方由罩35覆盖。
[0007]图6所示的功率半导体模块30构成为具有:绝缘基板36、功率半导体元件37、引线38、壳主体39和盖40 ο如图6所示，功率半导体元件37安装在绝缘基板36上。绝缘基板36，例如是在金属基底41的表面形成有绝缘层42，在绝缘层42的表面形成有电路图案43的结构。绝缘层42例如是将由含有无机填充物的环氧树脂固化而形成的。
[0008]如图6所示，功率半导体元件37将其背面电极接合在绝缘基板36的电路图案上。另夕卜，功率半导体元件37将其正面电极在与电路图案43之间经由引线38电连接。并且，连接导线端子45、46通过钎焊而接合到电路图案43。
[0009]因此，功率半导体模块30和各印刷布线板32、33经由连接导线端子45、46而电连接。
[0010]现有技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:日本特开平9-139461号公报
【发明内容】
[0013]然而，在图6所示的以往的电力变换装置的结构中，具有功率半导体元件37发出的热不能高效地放出至热沉31的问题。
[0014]S卩，如图6所示，功率半导体元件37被安装于绝缘基板36，到热沉31为止多个材料层存在于其间，另外，功率半导体元件37与热沉31之间的距离也远。因此，功率半导体元件37与热沉31之间存在大小不能忽视的一定的热阻，冷却特性有可能不充分，由功率半导体元件37产生的热不能充分地放出。
[0015]另外，如图6所示，由于功率半导体模块30为一个成品，因此为了将功率半导体模块30配置在电力变换装置内而需要一定体积，妨碍了小型化。并且，如图6所示，由于是在功率半导体模块30的上方层叠印刷布线板32、33的结构，因此不能实现电力变换装置的低背化。
[0016]另外，还具有以下问题:将作为产品的功率半导体模块30组装到电力变换装置，因此妨碍成本的降低，并且，在图6的电力变换装置的结构中，部件个数多，因此成本越发增大。另外，在图6的电力变换装置的结构中，还具有组装复杂化的问题。
[0017]本发明是鉴于上述那样的问题而做出的，其目的在于，提供一种散热性优良，并且能够应对电力变换装置的小型化以及低成本的上述要求的电力变换装置。
[0018]在本发明中，与以往相比，能够降低功率半导体元件与热沉之间的热阻，如此，若使热阻降低，则能够降低电力变换装置运转时的功率半导体元件的温度，其结果，能够减小功率半导体元件的芯片尺寸，并能够相应地降低成本。
[0019]并且，在本发明中，不使用如以往那样作为成品的功率半导体模块，而通过将具备功率半导体元件的单元嵌入到印刷布线板，从而能够有效地促进小型化、低背化以及低成本化。具体而言，本发明如以下所示。
[0020]本发明的电力变换装置的特征在于，具备:印刷布线板，其设置在散热用的热沉上，具有贯通孔且具备布线；金属壳体，其具有嵌入到所述贯通孔的凹部，所述凹部隔着由陶瓷材料构成的散热性绝缘层安装在所述热沉上;和功率半导体元件，其安装在所述凹部内，与所述印刷布线板的布线电连接。
[0021]根据本发明，在热容量高且散热性好的金属壳体的凹部安装功率半导体元件，另夕卜，将金属壳体的凹部隔着导热性方面优良的由陶瓷材料构成的散热性绝缘层安装到热沉上。据此，能够减少功率半导体元件的下部的热阻，能够提高散热性。因此，作为功率半导体元件，能够采用成本更低、面积更小的功率半导体元件。
[0022]另外，在本发明中，是将安装有功率半导体元件的金属壳体嵌入到安装有电路元件的印刷布线板的贯通孔而安装于热沉的结构，因此不需要如以往那样仅将功率半导体模块的主电路部收纳到单独的壳体，与在印刷布线板5所安装的电路元件之间的电连接也变得容易。电力变换装置的体积与以往相比能够有效地减小。
[0023]在本发明中，作为功率半导体元件的安装用部件而使用了金属壳体。若为金属壳体，则可以通过压力而进行冲裁，因此能够利用拉伸加工而形成，能够使金属壳体的制造变得容易。而且，由于是箱状，金属壳体能够从印刷布线板的上表面侧简单地嵌入到贯通孔11，在嵌入后的状态下将两者间通过粘接剂和/或钎焊进行接合而简单且适当地进行一体化。
[0024]另外，由于将功率半导体元件安装于金属壳体的凹部，因此成为功率半导体元件的周围被金属壳体的侧壁部包围的状态，能够提高针对功率半导体元件的保护功能。另外，通过将功率半导体元件安装到金属壳体的凹部，从而将金属壳体嵌入到印刷布线板的贯通孔，由此能够将功率半导体元件配置于印刷布线板的板厚内。因此，能够有效地缩短功率半导体元件与热沉之间的距离。
[0025]根据以上，在本发明中，安装有功率半导体元件的金属壳体隔着由陶瓷材料构成的散热性绝缘层被安装于热沉，因此，能够获得散热性比以往优良的电力变换装置。并且，在本发明中，作为功率半导体元件，能够采用成本更低，面积更小的功率半导体元件，并且通过将金属壳体嵌入到印刷布线板的贯通孔，以及与之相应的电连接构造的简化等，从而能够实现小型化、低背化，并且能够实现成本的降低。
[0026]在上述电力变换装置中，优选为上述金属壳体具有:所述凹部，其由底部和侧壁部包围而成;和凸缘部，其设置在所述侧壁部的上端，朝向侧壁部外侧延长而伸出。在本发明中，凸缘部能够作为将金属壳体插入到贯通孔时的挡块发挥功能。
[0027]另外，在上述电力变换装置中，优选为上述凸缘部与设置于上述印刷布线板的上表面的金属箔图案对置，对上述凸缘部和上述金属箔图案进行钎焊。据此，能够简单且可靠地将金属壳体与印刷布线板形成为一体。
[0028]另外，在上述电力变换装置中，优选为上述散热性绝缘层的热传导率为I?300W/m.K，厚度为10?500μηι。据此，能够更有效地减小功率半导体元件的下部的热阻，能够提高散热性。
[0029]另外，在上述电力变换装置中，优选为上述散热性绝缘层由选自氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝以及氮化硼的填充物群组中一种以上形成。这些均是散热性优良的陶瓷材料，通过将选自这些材料地陶瓷材料用作散热性绝缘层，从而能够更有效地减少功率半导体元件的下部的热阻，能够提高散热性。
[0030]另外，在上述电力变换装置中，优选为上述散热性绝缘层是将一种以上的陶瓷粒子利用等离子喷镀法进行堆积而形成，或者上述散热性绝缘层是将一种以上的陶瓷粒子利用气溶胶沉积法进行堆积而形成。据此，能够更有效地实现绝缘耐压升高以及热阻的降低。
[0031]根据本发明，由于将安装有功率半导体元件的金属壳体隔着由陶瓷材料构成的散热性绝缘层安装于热沉，因此能够获得散热性比以往优良的电力变换装置。并且，在本发明中，作为功率半导体元件能够采用成本更低、面积更小的功率半导体元件，并且通过将金属壳体嵌入到印刷布线板的贯通孔，随之而来的电连接构造的简化等，从而能够实现小型化、低背化，并且能够实现成本的降低。
【附图说明】
[0032]图1是示出第一实施方式的电力变换装置的结构的截面图。
[0033]图2Α?图2Ε是示出第一实施方式的电力变换装置的制造方法的截面图。
[0034]图3Α?图3C是示出继图2Α?图2Ε之后进行的第一实施方式的电力变换装置的制造方法的截面图。
[0035]图4是示出第二实施方式的电力变换装置的结构的截面图。
[0036]图5是示出第三实施方式的电力变换装置的结构的截面图。
[0037]图6是示出以往的电力变换装置的结构的一例的截面图。
【具体实施方式】
[0038]以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。图1是示出第一实施方式的电力变换装置的结构的截面图。
[0039]如图1所示，第一实施方式的电力变换装置I具备:在散热用的热沉6上设置的、具有贯通孔11并具备布线的印刷布线板5;具有嵌入到贯通孔11的凹部7，且凹部7隔着由陶瓷材料构成的散热性绝缘层4而安装在热沉6上的金属壳体2;和安装在凹部7内，与印刷布线板5的布线电连接的功率半导体元件3。以下，对各部件进行详细地说明。
[0040]如图1所不，金属壳体2的构成为:具有上表面2a和下表面2b，在上表面2a设置有向下方凹陷的凹部7。凹部7是由底部7a和包围其周围的侧壁部7b构成的有底空间。另外，在金属壳体2设置有从凹部7的侧壁部7b的上端向侧壁部外侧延伸的