CN102820288B - 功率模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明得到一种成本低且小型、高性能的功率模块。实施方式所涉及的功率模块(100)具有：金属基座(3)；功率元件(9)，其搭载在上述金属基座(3)上；控制基板(4)，其搭载对上述功率元件(9)进行控制的部件(7)，具有贯穿孔(6)；以及树脂(5)，其仅使上述金属基座(3)的一个面露出，覆盖并封装上述金属基座(3)、上述功率元件(9)及上述控制基板(4)。

Description

功率模块及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种功率模块及其制造方法，涉及实现例如逆变器等的功率模块的高性能化、小型化、低成本化的技术。

背景技术

由于逆变器等中使用的电力用半导体装置在大电流、高电压下动作，所以在这种电力用的功率模块中，必须确保高绝缘性，并且，必须将与动作相伴的发热高效地释放至半导体装置的外部。

作为这种电力用半导体装置的例子，引用下述专利文献而对背景技术进行说明。例如，专利文献1记载的功率模块由功率元件、引线框、绝缘层、基座、金属线、安装有对功率元件进行控制的部件的控制基板、塑模树脂、壳体构成。

功率元件通过金属线、引线框进行电连接，由功率元件产生的热量经由引线框、绝缘层从基座释放。

通常，将基座以在与壳体的界面上无树脂泄漏的方式粘接，另一方面，对控制基板进行粘接，以使位置固定。粘接在壳体上的控制基板和与基座上的绝缘层粘接的引线框是同时设置的，彼此通过金属线进行电连接。壳体内的封装树脂将需要电气绝缘的安装于引线框上的功率元件、金属线及控制基板上的部件封装。

下面，对专利文献2记载的功率模块进行说明。与专利文献1记载的功率模块不同，因为没有壳体，所以对于安装在引线框上的功率元件、金属线及控制基板上的部件，除了金属基座露出面以外都通过塑模树脂进行封装。

以控制基板的一个面上安装有部件，另一个面与金属基座相固定的状态进行树脂封装。金属基座固定保持在引线框上。另一方面，控制基板在引线框端部以四个点固定。

专利文献1：日本特开2001-358263号公报

专利文献2：日本特开2008-140979号公报

发明内容

但是，根据上述现有技术，存在下述问题。例如，在专利文献1记载的功率模块中，通常在树脂封装时产生由树脂流动引起的树脂压力。这时，由于在控制基板的下表面涌入大量树脂而使控制基板倾斜或移动，所以存在控制基板与金属基座间的距离变大，在金属线上产生应力，以至于断裂的情况。在专利文献1记载的功率模块上，因为利用控制基板周围的密封部及金属基座周围的密封部分与壳体粘接固定，所以可以抑制位置偏移，消除金属线的断裂问题。

但是，在该构造中，存在向壳体上粘接控制基板和金属基座的工序，从而存在工时多、加工成本高的问题。另外，壳体面积必须大于封装树脂，外形尺寸大。此外，因为壳体也存在一定成本，所以难以实现功率模块的小型化、低成本化。

另外，在专利文献2记载的功率模块中，通过将固定有控制基板和金属基座的引线框设置在金属模具内，并注入高压树脂，而得到功率模块构造。在金属模具内利用引线框固定控制基板，但因为引线框作为弯曲端子使用，所以通常较细。因此，引线框不具有足以承受树脂压力的刚性，所以可能由于控制基板倾斜或移动而产生金属线断裂。

另外，为了实现功率模块的高性能化，必须搭载很多IC封装件等大型部件，存在控制基板的面积增大的倾向。由于控制基板的面积增大，并且由于制造上产生的控制基板上下表面的树脂流动速度的不同而产生按压，因此，对于在端部以4个点进行固定的控制基板，在其中央部产生挠曲变形。

如果在控制基板上产生挠曲变形，则在所安装的部件的连接面上，产生由膨胀或收缩引起的应力，在部件的连接面即软钎焊接合部产生裂纹。进而，通过与冷热环境下的热应力相叠加，促进软钎焊接合部开裂，从而产生断裂的可能性。

另外，已知封装后的树脂由于热收缩而在控制基板与塑模树脂的界面上产生收缩应力。控制基板的面积越大，则应力越大，在控制基板与塑模树脂的界面上产生剥离。其结果，因为由塑模树脂包覆的部件也一起热收缩，所以与上述相同地，在软钎焊接合部产生裂纹。

此外，在专利文献2记载的功率模块中，一个面是安装有部件的面，另一个面由金属面形成。已知封装树脂不易与部件安装面的抗蚀(resist)面紧密接合，而容易与金属面紧密接合。因此，控制基板两个面的部件安装更容易剥离，软钎焊接合部的裂纹成为问题。

本发明就是鉴于上述情况提出的，其目的在于，可以提供一种低成本且小型化、高性能的功率模块，得到功率模块及其制造方法。

为了解决上述课题，实现目的，本发明的特征在于，具有：金属基座；功率元件，其搭载在所述金属基座上；控制基板，其搭载对所述功率元件进行控制的部件，具有贯穿孔；以及树脂，其仅使所述金属基座的一个面露出，覆盖并封装所述金属基座、所述功率元件及所述控制基板。

发明的效果

根据本发明，通过不使用壳体而是进行树脂封装，从而省略向壳体上粘接控制基板和金属基座的工序，可以减少加工成本、减少壳体成本。此外，可以通过削减壳体面积而实现小型化。

另外，通过在控制基板上设置填充有树脂的贯穿孔，并利用塑模树脂填充控制基板的内部，从而实现沉锚效应。其结果，因为可以抑制由热收缩引起的控制基板与塑模树脂的界面剥离，所以可以抑制软钎焊接合部的裂纹。由此，可以实现控制基板的安装部件的高可靠性，并且使功率模块小型化、低成本化。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的功率模块的侧视剖面图的图。

图2是表示实施方式1所涉及的功率模块的俯视图的图。

图3是表示构成实施方式1所涉及的功率模块的各个要素的侧视剖面图。

图4是表示实施方式1所涉及的功率模块制造过程的一个工序的状态的侧视剖面图。

图5是表示实施方式1所涉及的功率模块制造过程的一个工序的状态的侧视剖面图。

图6是表示实施方式1所涉及的功率模块制造过程的一个工序的状态的侧视剖面图。

图7是表示实施方式2所涉及的功率模块的侧视剖面图的图。

图8是表示实施方式3所涉及的逆变器装置的侧视剖面图的图。

图9是从其他侧面观察实施方式3所涉及的逆变器装置的侧视图。

具体实施方式

下面，基于附图，详细地说明本发明所涉及的功率模块及其制造方法的实施方式。此外，本发明并不受这些实施方式限定。

实施方式1

图1表示本发明的实施方式1所涉及的功率模块100的侧视剖面图。图2是表示图1所示的功率模块100的俯视图。图3是表示构成功率模块100的各个要素的侧视剖面图。图4至图6是表示包含直至图1的功率模块100完成为止的树脂填充动作在内的制造过程的各个工序的状态的侧视剖面图。

如图1所示，功率模块100具有：功率元件9；引线框1的外部端子1a、1b；绝缘板2；金属基座3；金属线8a、8b；以及控制基板4，其搭载有对功率元件9进行控制的部件7。

引线框1由外部端子1a和外部端子1b构成，由铜板或铝板通过冲压成型而形成。外部端子1a具有使其一个面延长而用于将功率元件9软钎焊接合的部位。因此，引线框1(外部端子1a)承担功率元件9的图案形成和外部端子的形成这两方面。

如图1所示，在引线框1(外部端子1a)的用于将功率元件9软钎焊接合的部位的相反面上，配置绝缘板2和金属基座3，功率元件9的发热经由以热传导性高的铜或铝形成的金属基座3而释放。

绝缘板2使用环氧树脂等热硬化树脂，在其内部混入二氧化硅或BN等高传导性填充物。外部端子1b通过金属线8b与安装有部件7的控制基板4的一个端部连接。控制基板4的另一个端部经由金属线8a与功率元件9及外部端子1a导通。控制基板4通过金属线8a、8b架空保持。

搭载在控制基板4上的部件7，是例如IC封装件或光耦合器等用于高效地控制功率元件9的部件。功率元件9是将输入交流电力变换为直流的变换器部的二极管，或将直流变换为交流的逆变器部的双极晶体管、IGBT、MOSFET、GTO等。

在引线框1的外部端子1a上的逆变器部的上臂部及下臂部上，分别搭载3个功率元件9，在变换器部的上臂部及下臂部上，分别搭载3个功率元件9。另外，各搭载1个作为测功器(brake)用的变换器、逆变器的功率元件9。

塑模树脂5使用环氧树脂等热硬化树脂。如图1所示，除了外部端子1a及1b、金属基座3的露出面以外，整体利用塑模树脂5进行树脂封装。

控制基板4与安装功率元件9的引线框1(外部端子1a)、绝缘板2、金属基座3同时设置，并配置为在这两部分之间具有台阶部。通过配置为在控制基板4与金属基座3之间具有台阶部，从而可以使控制基板4与金属基座3的间隙增大，成为树脂易于从控制基板4的下表面侧进入的结构。另外，通过在树脂量较多的控制基板4的下表面侧配置大型部件，可以控制为使得控制基板4的上表面侧与下表面侧的树脂注入流量固定，因此，可以有效地抑制由于树脂从外围涌入而引起的空气残留。

另外，在控制基板4上设置贯穿孔6，由塑模树脂5进行树脂填充。由于填充有树脂的控制基板4的贯穿孔6的存在，可以利用塑模树脂5贯穿控制基板4内而进行树脂填充。

即，根据填充有树脂的贯穿孔6的沉锚效应，可以抑制控制基板4与塑模树脂5的界面剥离。由此，塑模树脂5可以包覆整个控制基板4和部件7。因此，可以通过塑模树脂5抑制控制基板4和部件7的冷热环境下的热应力，从而可以提高冷热环境下的软钎焊接合部的可靠性。

另外，即使采用在用于安装功率元件9的金属基座3上设置控制基板4，并纵向排列的分层组合构造，也可以得到相同的效果。但是，在这种情况下，必须将保持控制基板4的贯穿孔6设置在金属基座3的外侧，由于控制基板4的面积增大，使功率模块100大型化，所以优选横向并列设置。

根据该构造，通过不使用壳体而是进行树脂封装，从而省略向壳体上粘接控制基板4和金属基座3的工序，可以实现加工成本的减少及壳体成本的减少。此外，通过削减壳体面积，可以实现小型化。

另外，通过在控制基板4上设置填充有树脂的贯穿孔6，并由塑模树脂5填充控制基板4的内部，从而可以得到沉锚效应。其结果，可以抑制由热收缩引起的控制基板4与塑模树脂5的界面剥离，从而可以抑制软钎焊接合部的裂纹。由此，可以实现控制基板4两个面上的部件安装、扩大控制基板4的面积，可以实现功率模块100的高性能化。

另外，在控制基板4的两个面上的部件安装中，可以通过抑制控制基板4的界面剥离，而抑制软钎焊接合部的裂纹。因此，可以实现控制基板4的安装部件的高可靠性，并且可以使功率模块100小型化、低成本化。

因为引线框1承担功率元件9的图案形成和外部端子的形成这两方面，所以可以减少在使用金属基板等市售商品的情况下所必要的连接部件。此外，因为引线框1也兼作控制基板4的外部端子，所以可以削减连接部件。其结果，可以实现功率模块100的低成本化。

下面，对图1及图2所示的功率模块100的制造工序进行说明。功率模块100的制造工序主要分为部件设置工序、树脂注入工序、树脂压力保持和硬化(cure)工序这3个工序。图3是表示利用塑模树脂5一体化为功率模块100的各个要素的图。引线框1的外部端子1a、1b、功率元件9、金属线8a、8b、控制功率元件9的控制基板4、绝缘板2、金属基座3，通过下述工序利用塑模树脂5一体化为功率模块100。

在部件设置工序中，如图4所示，在模具10的中空部中设置粘贴有半硬化状态的绝缘板2的金属基座3。然后，在模具10的中空部中设置：安装有功率元件9的外部端子1a(引线框1)；以及控制基板4，其由引线框1的外部端子1a及1b、金属线8a及8b保持。在本实施方式中，如图2所示，控制基板4具有端部上的4个和中央部的1个贯穿孔6，在贯穿孔6中，如图4所示插入从模具10向中空部露出的下可动销12。

下可动销12由两种直径不同的支撑柱构成，一种是用于保持控制基板4的大直径支撑柱，另一种是该大直径支撑柱前端的用于插入贯穿孔6中的小直径支撑柱，在贯穿孔6中插入有下可动销12的控制基板4被架空保持。此外，在控制基板4的面积较小的情况下，也可以省略中央部的1个贯穿孔6，由插入至端部的4个贯穿孔6中的下可动销12保持控制基板4。

在树脂注入工序中，在合模后注入树脂。在合模时，如图4所示，通过使以可以向模具10的中空部露出的方式设置的上可动销11，分别按压引线框1的外部端子1a、控制基板4，从而固定位置。塑模树脂5从引线框1的外部端子1a的端部开始注入，在由引线框1的外部端子1a将半硬化状态的绝缘板2向金属基座3按压的同时，使塑模树脂5流动。这时，外部端子1a成为从树脂注入位置进行悬臂保持的构造，由于沿着树脂注入方向，容易使外部端子1a向绝缘板2侧变形，所以可以高效地按压半硬化状态的绝缘板2和金属基座3。

上可动销11与下可动销12不同，由1种直径的支撑柱形成。上可动销11及下可动销12可以在模具10的中空部内上下滑动。

在外部端子1a(引线框1)的周围被塑模树脂5填充后，塑模树脂5逐渐填充控制基板4的上表面及下表面侧(图4)。控制基板4通过插入贯穿孔6中的下可动销12的固定，从而使塑模树脂5的流动方向的移动得到抑制。另一方面，上可动销11通过按压控制基板4，而抑制控制基板4的倾斜变化。

此外，在上述树脂注入工序中，下可动销12也可以不插入贯穿孔6中，而是从下方支撑控制基板4。在此情况下，也可以在下可动销12保持控制基板4的状态下，向贯穿孔6中填充塑模树脂5。

另外，在本实施方式中，下可动销12还设置在控制基板4的中央部，抑制由来自控制基板4的上表面的树脂压力引起的挠曲变形，上可动销11抑制来自控制基板4的下表面的树脂压力引起的挠曲变形。

在树脂压力保持和硬化工序中，具有对半硬化状态的绝缘板2进行加压硬化的工序、以及在控制基板4的贯穿孔6中填充树脂并进行加压硬化的工序。因为热硬化树脂在硬化之前需要一定时间，所以可以通过加压使树脂流动。

在如图5所示注入塑模树脂5后，如图6所示，将上可动销11和下可动销12向模具10内收容。因为上可动销11和下可动销12所存在的空间直径较大，所以有时使得支撑柱所存在的空间的一部分剩余下来，但通过加压，可以在这些空间中填充塑模树脂5。并且，虽然控制基板4的贯穿孔6较小，但也可以通过加压，向贯穿孔6中填充塑模树脂5。

另外，对于半硬化状态的绝缘板2，通过上述加压时的压力将内部缺陷消除，并且，通过对模具10进行加热并经过硬化时间而硬化，发挥绝缘耐压性能和散热性能。

根据以上说明的功率模块100的结构，通过同时进行对引线框1和粘贴有绝缘板2的金属基座3进行加压硬化的工序、以及向控制基板4的贯穿孔6中填充树脂的加压硬化工序，可以抑制加工费，实现功率模块100的低成本化。

另外，通过利用模具10的中空部内的上可动销11和下可动销12保持控制基板4，可以抑制控制基板4的倾斜或移动，抑制金属线8a及8b的断裂。

另外，通过利用下可动销12对控制基板4的中央进行保持，从而可以抑制由来自控制基板4的上表面侧的树脂压力引起的挠曲变形。此外，上可动销11可以抑制由来自控制基板4的下表面侧的树脂压力引起的挠曲变形。由此，可以抑制在树脂注入时产生的控制基板4的挠曲变形，可以抑制安装在控制基板4上的部件7的软钎焊接合部的裂纹。

实施方式2

图7是表示本发明的实施方式2所涉及的功率模块200的侧视剖面图。与图1所示的实施方式1所涉及的功率模块100的不同点在于，使金属基座3延长至控制基板4的外缘。

控制基板4的贯穿孔6利用在金属基座3上露出的凸起3a进行定位。除了金属基座3的下表面和引线框1的外部端子1a及外部端子1b以外，整个功率模块200由塑模树脂5进行封装。凸起3a可以由与金属基座3不同的部件构成，相对于由与金属基座3相同材料形成凸起3a的情况，得到相同的效果。

在本实施方式中，因为通过使金属基座3较大，可以使功率元件9的发热利用金属基座3沿长度方向扩散，所以散热性提高。其结果，不必变更功率模块200的外形尺寸，就可以实现功率元件9的集成化、低成本化。

在功率模块200的制造工序中，取代在实施方式1中使用的下可动销12，而由金属基座3的凸起3a对控制基板4进行保持。在将塑模树脂5填充到模具10内时，与图4及图5相同地，通过上可动销11从上方按压并保持控制基板4，在树脂压力保持时，上可动销11收容在模具10内。控制基板4的贯穿孔6由塑模树脂5进行树脂填充，与实施方式1相同地，抑制了塑模树脂5与控制基板4的界面剥离。

根据以上说明的功率模块200的结构，无需增大功率模块200的外形尺寸，就可以增大金属基座3的散热面积。由此，可以提高功率元件9的散热性，并实现功率元件9的集成化及低成本化。

实施方式3

图8表示包含本发明的实施方式3所涉及的功率模块300的逆变器装置400的侧视剖面图。此外，图9表示从与观察图8的方向正交的方向观察的逆变器装置400的侧视图。

功率模块300的结构除了金属基座3的部分以外，与实施方式1所涉及的功率模块100相同。在本实施方式中，如图8及图9所示，在功率模块300的金属基座3上，直接接合有散热用的散热片13。功率模块300以该状态设置在搭载风扇15的壳体14上。另一方面，功率模块300的外部端子1a及1b与电源基板16软钎焊接合。由此，构成逆变器装置400。

散热片13与金属基座3铆接接合。由于铆接接合是将散热片13插入金属基座3的凹部，并在常温下进行加压，所以可以不产生软钎焊接合或焊接等的热过程而进行接合，从而不需要考虑塑模树脂5的耐热性。

作为散热片13的材料，与金属基座3相同地，使用铜或铝等高热传导率金属。此外，利用高散热粘接材料将散热片13和金属基座3粘接，也可以得到相同的效果。

散热片13形成至功率模块300的外缘，由此，使散热面积增大。只要将接合有散热片13的功率模块300插入壳体14，就可以形成散热片13的风道。

根据以上说明的包含功率模块300的逆变器装置400的结构，通过使散热片13直接与功率模块300的金属基座3接合，从而可以在功率模块300的下表面部形成风道，可以简化壳体14。其结果，可以使逆变器装置400低成本化。

此外，本发明并不限定于上述实施方式，在实施阶段，可以在不脱离其主旨的范围内进行各种变形。另外，在上述实施方式中包含各种阶段的发明，通过公开的多个构成要件的适当组合，可以提取出各种发明。

例如，在即使从上述实施方式1至3中分别示出的全部构成要件中去掉一些构成要件，也可以解决“发明内容”这一栏中所述的课题，并可以得到“发明的效果”这一栏中所述的效果的情况下，可以将去掉该构成要件后的结构作为发明而提取出。此外，也可以适当地组合上述实施方式1至3中的构成要件。

工业实用性

如上所述，本发明所涉及的功率模块及其制造方法，在提供低成本且小型、高性能的功率模块时有用，特别地，适用于如在逆变器等中使用的电力用半导体装置那样，因为在大电流、高电压下动作，所以必须确保较高的绝缘性，并且必须将与动作相伴的发热高效地向半导体装置的外部释放的电力用功率模块。

Claims (9)

1.一种功率模块，其特征在于，具有：

金属基座；

功率元件，其搭载在所述金属基座上；

控制基板，其具有上表面和下表面，在该下表面搭载有对所述功率元件进行控制的大型部件，该控制基板由与引线框的外部端子连接的金属线架空保持，具有贯穿孔，该控制基板以与所述金属基座之间设置台阶的方式设置；以及

树脂，其仅使所述金属基座的一个面露出，覆盖并封装所述金属基座、所述功率元件及所述控制基板整体，并且填充在所述贯穿孔中。

2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，

上方搭载有所述功率元件的引线框经由绝缘板接合在所述金属基座上。

3.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，

所述金属基座具有未搭载所述功率元件的延伸区域，利用在该延伸区域上形成的多个凸起，从下表面对所述控制基板进行保持。

4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，

所述凸起的前端从下方插入所述贯穿孔中。

5.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，

在所述金属基座的向下方露出的所述一个面上，接合有散热用的散热片。

6.一种功率模块的制造方法，其特征在于，包含下述工序，即：

第1工序，在该工序中，向模具的中空部中配置金属基座；

第2工序，在该工序中，在所述金属基座上配置功率元件；

第3工序，在该工序中，利用向所述中空部露出的多个上可动销及下可动销，从上下对由与引线框的外部端子连接的金属线架空保持并具有贯穿孔的控制基板进行保持，该控制基板具有上表面和下表面，在该下表面搭载有对所述功率元件进行控制的大型部件；

第4工序，在该工序中，在第1至第3工序后，向所述中空部注入树脂；

第5工序，在该工序中，在第4工序后，将所述上可动销及所述下可动销收容在所述模具的内部；以及

第6工序，在该工序中，在第5工序后，通过进一步对所述树脂进行加压注入，从而利用所述树脂充满所述上可动销及所述下可动销所露出的空间，

通过所述第4工序，仅使所述金属基座的一个面露出，由所述树脂覆盖并封装所述金属基座、所述功率元件及所述控制基板整体，并且使得所述树脂填充在所述贯穿孔中，

所述控制基板以与所述金属基座之间设置台阶的方式与所述金属基座同时设置。

7.如权利要求6所述的功率模块的制造方法，其特征在于，

在第3工序中，所述下可动销从下方插入所述贯穿孔中，

通过第6工序向所述贯穿孔中填充树脂。

8.如权利要求6所述的功率模块的制造方法，其特征在于，

第2工序是向粘贴有绝缘板的所述金属基座的该绝缘板上，配置搭载有所述功率元件的引线框的工序，

在第3工序中，所述上可动销从上方对所述引线框进行保持。

9.如权利要求7所述的功率模块的制造方法，其特征在于，

第2工序是向粘贴有半硬化状态的绝缘板的所述金属基座的该绝缘板上，配置搭载有所述功率元件的引线框的工序，

在第3工序中，所述上可动销从上方对所述引线框进行保持，

通过第6工序对半硬化状态的所述绝缘板进行加压硬化。