CN102197475A

CN102197475A - 半导体模块

Info

Publication number: CN102197475A
Application number: CN2010800030488A
Authority: CN
Inventors: 上地辰之; 安形广通; 青木一雄; 新智夫; 种植雅广
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-09-21
Also published as: DE112010000026T5; WO2010103865A1; US20100232112A1; JP2010212577A

Abstract

本发明提供一种避免现有技术下半导体模块大型化的技术，同时确保底板与壳体部件的连结强度。半导体模块(1)具备：底板(2)，其一个面形成有散热片区域，所述散热片区域设置有散热片；基板(3)，其装载于底板的另一个面；壳体部件(4)，其具备内部空间(40)，并且其一个壁(42)设置有开口(43)，所述开口(43)比底板的一个面小但比散热片区域大。底板通过壳体部件的开口使散热片从内部空间侧向外部突出，并且底板被与壳体部件的内部空间侧的面密封粘结，并通过向内部空间填充树脂，从而将壳体部件、基板和底板固定。

Description

半导体模块

技术领域

本发明涉及一种半导体模块，所述半导体模块具备底板、载置于该底板的一个面且设置有开关元件的基板以及壳体部件。

背景技术

作为所述半导体模块，公知有下述半导体模块，其具备：底板；基板，其安装在该底板的一个面上且设置有开关元件；壳体，其包围该基板地设置在底板上；制冷剂流路，其与底板的另一个面接触地设置(例如专利文献1)。在该半导体模块中，壳体的四角设置有螺栓连结孔，通过将螺栓插入此处并螺纹拧紧，从而壳体被固定在底板上。

专利文献1：日本特开2008-294069号公报(段落序号[0025]、[0026]、[0042]、图8)。

如专利文献1所述，在现有的半导体模块中，由于壳体部件通过螺栓连结被固定于底板，因此螺栓头部的量使半导体模块在横向上无法避免大型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种确保底板和壳体部件的连结强度，同时避免现有技术下半导体模块大型化的技术。

为达到所述目的，本发明所涉及的半导体模块具备：底板，其一个面形成有散热片区域，所述散热片区域设置有冷却用的散热片；基板，其被载置于所述底板另一个面，并设置有开关元件；壳体部件，其具有内部空间，并且在该壳体部件的一个壁上设置有开口，所述开口比所述底板的所述一个面小，比所述散热片区域大，所述底板构成为，使所述散热片从所述内部空间侧，通过所述壳体部件的所述开口向外部突出，并且所述底板的所述一个面与所述一个壁的所述内部空间侧的面被密封粘结，且通过向所述壳体部件的所述内部空间填充树脂，将所述壳体部件、所述基板和所述底板固定。

根据该结构，不需要在壳体部件形成螺栓连结用的贯通孔，从而避免由插入贯通孔的螺栓头部所占用的空间导致的半导体模块在横向的大型化。另外，在仅使散热片区域从壳体部件的内部空间侧突出的状态下，底板被粘结固定在壳体部件上。因此，预先向该壳体部件的内部空间填充树脂并固化，则在相对于底板从壳体部件的外部方向施力的情况下，壳体部件阻挡该力，其相反方向的力会阻挡所填充的树脂，因此壳体部件与底板之间具有足够强的粘结强度。另外，向内部空间填充树脂旨在提高开关元件的耐震性和绝缘性，并非仅本发明结构必需，不必考虑由此引起的成本增加。

在本发明的一种适宜的实施方式中，所述壳体部件为树脂制，由此，与填充到内部空间的树脂的粘结强度提高，半导体模块整体的强度也获得提高。进一步，所述壳体部件与基板的绝缘性能也提高了，从而也可使壳体部件自身小型化。另外，在采用树脂来制造所述壳体部件，而采用金属来制造所述底板的结构的情况下，可利用金属·树脂粘结剂将所述底板和所述壳体部件密封粘结。由此，通过采用金属来制造底板能够获得强度的强化以及冷却性的提高。

为了造出能够有效地对形成在底板上的散热片进行冷却的制冷剂通路，优选将金属壳体与所述壳体部件的一个壁的与所述内部空间相反侧的面连结，该金属壳体与壳体部件的底壁的连结也通过密封粘结进行。由此，底板、壳体部件和金属壳体通过密封粘结而被一体化，因此，根据本发明，由底板、壳体部件与金属壳体构成的半导体模块中，所述现有技术存在的问题点得以化解。

由底板、壳体部件和金属壳体构成的半导体模块的一种适宜的实施方式中，在所述金属壳体的壁面上设置有凹凸，通过注塑成型所述壳体部件时在注塑成型树脂与所述凹凸之间实现的将树脂与金属一体化的接合，从而将所述金属壳体与所述壳体部件密封粘结。作为该一体化接合，特别是金属选用铝时，可以采用一种被称作NMT(Nano molding technology)的一体化接合。在NMT中，铝的表面经过特殊处理改质，将硬质树脂嵌入纳米级的表面凹凸中，从而使铝和树脂一体化。由此，通过在金属壳体的凹凸面直接进行树脂注塑成型，使壳体部件在金属壳体上成型，从而造出一体化了的壳体部件与金属壳体。壳体部件与金属壳体之间形成完全密封状态，且其接合强度对于半导体模块来说很充分。

由底板、壳体部件和金属壳体构成的半导体模块的一种其他的适宜的实施方式中，在所述壳体部件的所述一个壁上设置有贯通孔，在所述金属壳体的与所述贯通孔对应的壁面上设置有与所述贯通孔连通并形成楔形状的凹部，利用通过向所述贯通孔与所述楔状凹部填充树脂而做成楔形状结合，将所述壳体部件和所述金属壳体密封粘结。在该方式中，被填充的树脂在壳体部件与金属部件的接合区域变成楔形状，其接合强度被强化了。进一步，该树脂填充能够与内部空间的树脂填充兼用进行，因此在成本方面以及制造技术方面都是有利的。

由底板、壳体部件和金属壳体构成的半导体模块的另外一种其他的适宜的实施方式中，在所述金属壳体上设置有贯通孔，在所述壳体部件的与所述贯通孔对应的壁面上设置有螺纹孔，所述金属壳体和所述壳体部件通过密封材料和螺纹连结而被密封粘结。在该方式中，通过采用螺纹连结，虽然金属壳体与壳体部件之间的连结强度实质上与现有的螺栓连结相同，但是通过从金属壳体侧进行螺纹连结，可避免螺栓头部引起的壳体部件在横向的大型化。

附图说明

图1是示意地表示本发明实施方式之一所涉及的半导体模块主要部分结构的俯视图。

图2是图1的Ⅱ-Ⅱ截面图。

图3是图1的Ⅲ-Ⅲ截面图。

图4是装配在图1所示半导体模块中的逆变器回路的配线图。

图5是示意地表示本发明的其他实施方式所涉及的半导体模块主要部分的结构的截面图，其与图3相对应。

图6是示意地表示本发明另外的实施方式所涉及的半导体模块主要部分的结构的截面图，其与图3相对应。

图7是示意地表示本发明另外的实施方式所涉及的半导体模块主要部分的结构的截面图，其与图3相对应。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施方式之一进行说明。在本实施方式中，针对将本发明应用于作为构成三相交流用的逆变器回路的逆变器装置的半导体模块1的例子进行说明。图1是示意地表示本实施方式所涉及的半导体模块1主要部分的结构的俯视图。图2是图1的Ⅱ-Ⅱ截面图；图3是图1的Ⅲ-Ⅲ截面图；图4是装配在半导体模块的逆变器回路的配线图。

如图2和图3所示，该半导体模块1具备：底板2；被载置在底板2的上表面2A上的基板3；壳体部件4；以及配置在壳体部件4的底壁的下表面上的金属壳体5。其中，壳体部件4具备包围基板3的周壁41以及作为支承底板2的下表面2B的一个壁的底壁42。具体而言，底板2的接合下面部2b与壳体部件4的接合上表面4a，以及壳体部件4的接合下表面4b与金属壳体5的接合上表面5a被密封粘合，后续详细说明。另外，在本实施方式中，底面2的下表面2B相当于本发明中的另一个面，上表面2A相当于本发明中的另一个面。

如图4所示，该半导体模块1，为了构成用于驱动三相交流电机31的逆变器回路10，如图1所示，在底板2的上表面2A载置分别具备开关元件11及二极管元件12的6个基板3。另外，在半导体模块1中，用于对各基板3上的开关元件11进行动作控制等的控制基板，由配置在基板3的上方的壳体部件4支承，此处省略图示。

在该半导体模块1中形成有制冷剂流路6，所述制冷剂流路6对发热量最大的开关元件11进行冷却。该制冷剂流路6通过将多个散热片7配置在设置于金属壳体5的作为制冷剂腔室的制冷剂流通用凹部50而形成。另外，制冷剂流路6在该处形成与规定方向平行的制冷剂的流路。多个散热片7沿着底板2的下表面2B相互平行配置。此处，各散热片7形成为相对于底板2的下表面2B垂直地竖立设置的具有规定厚度的板状，各散热片7通过对底板2的下表面2B的切削加工等而与底板2形成为一体。另外，多个散热片7的间隔基本固定，多个散热片7的高度也固定。

如图1、图2、图3所示，底板2经由壳体部件4的底壁42被金属壳体5支承。在壳体部件4的底壁42的中央区域形成有开口43，所述开口43的大小刚好能够允许由多个散热片7形成的散热片区域进入，该开口与由底壁42和周壁41形成边界的内部空间40连通。底板2的散热片7从该内部空间40侧进入开口43，从而在由开口43与金属壳体5的制冷剂流通用凹部50形成的制冷剂腔室中形成多个平行的制冷剂的流路。另外，在图2、图3中，散热片7和制冷剂流通用凹部50的底面之间存在空间，散热片7的前端与制冷剂流通用凹部50的底面之间的间隙几乎为零，即，也可采用散热片7的前端与制冷剂流通用凹部50的底面近似于抵接的结构。另外，在金属壳体5形成有向该制冷剂腔室送入制冷剂的流入通路和从制冷剂腔室排出制冷剂的流出通路，但省略该图示。

其次，对本实施方式的半导体模块1所装配的逆变器回路10的电气结构进行说明。如图4所示，该逆变器回路10是三相交流电机31的驱动用的电路。即，该逆变器回路10具备与三相交流电机31的U相线圈31u、V相线圈31v及W相线圈31w分别对应设置的(与U相、V相、W相的各相分别对应)U相支路32u、V相支路32v及W相支路32w。并且，各相用的支路32u、32v、32w构成为具有能够分别互补地动作的一对下支路33及上支路34。该下支路33具有下支路用开关元件11A和二极管元件12，所述下支路用开关元件11A由npn型的IGBT元件构成，所述二极管元件12并列地连接在该下支路用开关元件11A的发射极-集电极之间。同样地，上支路34构成为具有上支路用开关元件11B和二极管元件12，所述上支路用开关元件11B由npn型的IGBT元件构成，所述二极管元件12并列地连接在该上支路用开关元件11B的发射极-集电极之间。在此，二极管元件12的阳极与开关元件11A、11B的发射极连接，阴极与开关元件11A、11B的集电极连接。

另外，各相用的一对上支路33和下支路34被串联连接，其中以下支路33成为当做接地的负极N侧，上支路34成为当做电源电压的正极P侧。具体地说，下支路用开关元件11B的发射极与负极N连接，上支路用开关元件11A的集电极与正极P连接。即，下支路用开关元件11A作为低边开关，上支路用开关元件11B作为高边开关。并且，在各相用的支路32u、32v、32w中的下支路用开关元件11A的集电极和上支路用开关元件11B的发射极分别与各相用支路32u、32v、32w所对应电机31的U相线圈31u、V相线圈31v及W相线圈31w连接。

壳体部件4由底壁42和围绕该底壁42的整周竖立设置的周壁41构成，所述底壁42的平面形状是与金属壳体5尺寸相同的矩形，该壳体部件4的内侧形成有内部空间40。设置为，该内部空间40的横截面形状比底板2的横截面形状大。如前述所示，设置为，形成在底壁42的开口43的横截面形状比底板2的横截面形状小，但是形成在底壁42的开口43的横截面形状比由在底板2的下表面2B上形成的多个散热片7规定的散热片区域的平面形状大。由此，底板2能够通过壳体部件4的开口43使散热片7从内部空间侧向外部突出。壳体部件4的底壁42和与其对置的底板2的接合下面部2b密封粘结。在本实施方式中，壳体部件4为树脂制，底板2为铜制，因此该密封粘结选用使铜和树脂粘结的金属·树脂粘结剂进行。符号8表示金属·树脂粘结剂形成的粘结剂层，附图为便于理解而进行了夸张表示。

另外，壳体部件4采用树脂中的PPS(聚苯硫醚：Polyphenylene sulfide)或CV(交联聚乙烯：Cross-linked polyethylene)，无论采用哪种，作为在此使用的金属·树脂粘结剂优选利用硅系、丙烯酸系、环氧系的各种粘结剂、在被固化了的阶段中也能作为密封材料的功能的粘结剂。特别优选具有能够适应壳体部件4和底板2不同的热膨胀系数的特性的粘结剂，在这一点上硅系特别适合。最终，在内部空间40内填充了环氧树脂等填充材料并固化，由此，载置在底板2上的六个基板3和壳体部件4被一体化。

另外，在本实施方式中，金属壳体5为铝制，壳体部件4采用NMT (Nano molding technology)形成在金属壳体5上。即，金属壳体5的表面经过特殊处理表面发生改质而形成具有纳米级别的表面凹凸，在此通过直接注塑成型树脂，使铝制的金属壳体5与树脂制的壳体部件4一体化。

当然，壳体部件4预先用树脂来成型，将该壳体部件4与金属壳体5的密封粘结，如图5所示，与底板2和壳体部件4的粘结相同地利用金属·树脂粘结剂进行也是可以的。此处，金属壳体5与壳体部件4之间形成的粘结剂层8为了便于理解而进行了夸张表示。另外，用于该金属壳体5和壳体部件4粘结的粘结剂可选用与将壳体部件4和底板2密封粘结的粘结剂相同的粘结剂，也可使用其他粘结剂。使用其他粘结剂的优点是，选取热膨胀系数在壳体部件4与金属壳体5的中间的粘结剂，能够适应两者热膨胀系数的不同。

(其他实施方式)

(1)壳体部件4与金属壳体5的密封粘结不局限于所述那样的、利用NMT将树脂和金属(铝)一体化的接合，或利用金属·树脂粘结剂进行的接合。例如，如图6所示，也可采用在壳体部件4和金属壳体5的接合区域呈楔形填充树脂的利用几何学形状的卡合结构。即，在壳体部件4的底壁42设置贯通孔44，同时，在与贯通孔44对应的金属壳体5的周壁上表面5a设置楔用凹部52，所述楔用凹部52具有比贯通孔44的横截面更大的横截面，以使得所述楔用凹部52与贯通孔44连通形成楔形状。周壁上表面5a和壳体部件4的底壁42的下表面利用金属·树脂粘结剂进行粘结，同时通过向该贯通孔44和楔用凹部52填充树脂，从而形成楔形状的树脂体RW，还与粘结剂层8具有互补效果，从而强化其粘结强度。另外，当对该贯通孔44与楔用凹部52进行的树脂填充，与为了将基板3和壳体部件4一体化进行的树脂填充同时进行的话，对制造工序有利。

图7示出壳体部件4和金属壳体5的其他密封粘结结构。在该密封粘结结构中，在金属壳体5的周壁区域设置有楔用贯通孔51，壳体部件4的底壁42的下表面侧具备与该楔用贯通孔51对应的螺纹孔部45。通过向该楔用贯通孔51和螺纹孔部45插入螺栓9，对壳体部件4和金属壳体5进行螺纹连结。进行该螺纹连结时，预先利用金属·树脂粘结剂粘结周壁上表面5a和壳体部件4的底壁42的下表面，从而能够提高其之间的密封性。或者，也可使用O型圈代替金属·树脂粘结剂来保持密封性。

本发明能够适当适用于半导体模块，所述半导体模块具备底板、载置在该底板一个面的基板、包围该基板的壳体部件的半导体模块。

附图标记的说明：

1：半导体模块；2：底板；2A：底板的上表面(另一个面)；2B：底板的下表面(一个面)；3：基板；4：壳体部件；40：内部空间；41：周壁；42：底壁(一个壁)；43：开口；44：贯通孔；45：螺纹孔部；5：金属壳体；51：楔用贯通孔；52：楔用凹部；6：制冷剂流路；7：散热片；8：粘结剂层；9：螺栓；10：逆变器回路；11：开关元件；12：二极管元件

Claims

1.一种半导体模块，具备：

底板，其一个面形成有散热片区域，所述散热片区域设置有冷却用的散热片；

基板，其被载置于所述底板另一个面，并设置有开关元件；以及

壳体部件，其具有内部空间，并且在该壳体部件的一个壁上设置有开口，所述开口比所述底板的所述一个面小，比所述散热片区域大，

所述底板构成为，使所述散热片从所述内部空间侧，通过所述壳体部件的所述开口向外部突出，并且所述底板的所述一个面与所述一个壁的所述内部空间侧的面被密封粘结，

并且，通过向所述壳体部件的所述内部空间填充树脂，将所述壳体部件、所述基板和所述底板固定。

2.根据权利要求1所述的半导体模块，所述壳体部件为树脂制。

3.根据权利要求2所述的半导体模块，所述底板为金属制，所述底板与所述壳体部件利用金属·树脂粘结剂被密封粘结。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体模块，在所述壳体部件的一个壁的与所述内部空间相反侧的面上，密封粘结金属壳体。

5.根据权利要求4所述的半导体模块，在所述金属壳体的壁面上设置有凹凸，通过注塑成型所述壳体部件时在注塑成型树脂与所述凹凸之间实现的将树脂与金属一体化的接合，从而将所述金属壳体与所述壳体部件密封粘结。

6.根据权利要求4所述的半导体模块，在所述壳体部件的所述一个壁上设置有贯通孔，在所述金属壳体的与所述贯通孔对应的壁面上设置有与所述贯通孔连通并形成楔形状的凹部，利用通过向所述贯通孔与所述楔状凹部填充树脂而做成楔形状结合，将所述壳体部件和所述金属壳体密封粘结。

7.根据权利要求4所述的半导体模块，在所述金属壳体上设置有贯通孔，在所述壳体部件的与所述贯通孔对应的壁面上设置有螺纹孔，所述金属壳体和所述壳体部件通过密封材料和螺纹连结而被密封粘结。