CN103531574A - 半导体单元 - Google Patents

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森昌吾
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加藤直毅
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Abstract

一种半导体单元，该半导体单元包括：第一导电层、与第一导电层电绝缘的第二导电层、安装在第一导电层上的第一半导体器件、安装在第二导电层上的第二半导体器件、用于第二半导体器件与第一导电层的电连接的第一母线、以及用于第一半导体器件与电池的正端子和负端子之一的电连接的第二母线。第一母线与第二母线以在第一母线与第二母线之间填充成型树脂的方式以交叠关系布置。

Description

半导体单元
背景技术
本发明涉及具有通过母线将被电连接到电源的半导体器件的半导体单元。
公开号为2006-202885的日本未经审查的专利申请公开了可以用作例如电力变换器的半导体单元。该半导体单元具有IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为半导体器件和二极管。IGBT的集电极和二极管的底电极被焊到用于释放由IGBT和二极管产生的热量并且还用于将IGBT的底部与二极管的底部进行连接的块体（block）。IGBT的发射极和二极管的顶电极通过导线连接。
已经存在对于较低感应系数的半导体单元的需求以减少在该单元的操作期间产生的热量。在单元被用于如机动车的情况下，也已经存在对于小尺寸半导体单元的需求。
本发明旨在提供一种具有使得能够减小感应系数和尺寸的结构的半导体单元。
发明内容
根据本发明的一个方面，半导体单元包括第一导电层、与第一导电层电绝缘的第二导电层、安装在第一导电层上的第一半导体器件、安装在第二导电层上的第二半导体器件、用于第二半导体器件与第一导电层的电连接的第一母线、以及用于第一半导体器件与电池的正端子和负端子之一的电连接的第二母线。第一母线与第二母线以在第一母线与第二母线之间填充成型树脂的方式以交叠关系布置。
根据本发明的另一方面，半导体单元包括第一导电层、与第一导电层电绝缘的第二导电层、安装在第一导电层上的第一半导体器件、安装在第二导电层上的第二半导体器件；以及两个母线，两个母线之一被提供用于第一半导体器件与电池的正端子和负端子之一的电接连，两个母线中的另一个母线被提供用于第二导电层与电池的正端子和负端子中的另一个端子的电连接。两个母线以在母线之间填充成型树脂的方式以交叠关系布置。
结合附图，根据示出了例如本发明的原理的下面的描述，本发明的其它方面和优点将变得清楚。
附图说明
图1是作为根据本发明的半导体单元的实施方式的三相逆变器的分解立体图；
图2是图1的三相逆变器的俯视图；
图3是沿着图2的线III-III截取的截面图；
图4是沿着图2的线IV-IV截取的截面图；以及
图5是图1的三相逆变器的电路图。
具体实施方式
下面将参照图1至图5描述作为根据本发明的半导体单元的一个实施方式的三相逆变器。参照图1，通常由10来表示的三相逆变器包括电路板20、安装在电路板20上的六个半导体器件41、42、43、44、45和46、以及热耦接到电路板20的冷却器11或散热构件。应该注意，在图1中所观察的上侧和下侧分别是逆变器10的上侧和下侧。
电路板20包括矩形陶瓷衬底21或绝缘层、以及均层叠到陶瓷衬底21的顶面的第一金属板22、第二金属板23、第三金属板24和第四金属板25。金属板22至25彼此电绝缘并且均由导电材料如铝制成。
第一金属板22、第二金属板23和第三金属板24被沿着陶瓷衬底21的纵向布置。第一金属板22、第二金属板23和第三金属板24中的每个金属板和第四金属板25沿着陶瓷衬底21的横向布置。在本实施方式中，第一金属板22、第二金属板23和第三金属板24对应于本发明的第一导电层，并且第四金属板25对应于本发明的第二导电层。
六个半导体器件41至46中的三个半导体器件42、44、46（下文中将称为第一半导体器件）分别被安装到第一金属板22、第二金属板23和第三金属板24上，并且其余三个半导体器件41、43、45（下文中将称为第二半导体器件）被安装到第四金属板25上。
参照图2，逆变器10包括在俯视图中具有矩形轮廓并且被接合到相应的金属板22、23、24的第一母线26、27、28。第一母线26在其一个纵向端处接合到第一金属板22的顶面并且在其相对的纵向端处接合到第二半导体器件41的顶面。第一母线27在其一个纵向端处接合到第一金属板23的顶面并且在其相对的纵向端处接合到第二半导体器件43的顶面。第一母线28在其一个纵向端处接合到第一金属板24的顶面并且在其相对的纵向端处接合到第二半导体器件45的顶面。第一母线26、27、28分别将金属板22、23、24电连接到第二半导体器件41、43、45。
逆变器10包括接合到相应的第一半导体器件42、44、46的顶面以与电源（未示出）的负端子进行电连接的第二母线29。第二母线29具有在俯视图中具有矩形轮廓的基部30以及在俯视图中具有矩形轮廓并且从基部30延伸的连接部分31、32、33。连接部分31、32、33沿着基部30的纵向彼此隔开并且沿着基部30的横向延伸。连接部分31、32、33分别接合到第一半导体器件42、44、46的顶面。第二母线29将第一半导体器件42、44、46电连接到电源的负端子。
逆变器10还包括接合到第四金属板25以与电源的正端子进行电连接的第三母线34。第三母线34将第四金属板25电连接到电源的正端子。第二母线29和第三母线34被电连接到不同极性的电源端子。
如图2和图3所示，如沿着其厚度方向所看到的，第二母线29的基部30与第三母线34以交叠关系布置。如在图2的俯视图中所看到的，第二母线29的基部30和第三母线34被设置使得其虚构的纵向中心线彼此平行而沿着基部30的横向彼此偏离。从而，第二母线29的基部30具有如沿着其厚度方向（即，陶瓷衬底21与相应的金属板22至25层叠的方向）所看到的与第三母线34交叠的部分。
如图2和图4所示，如沿着其厚度方向所看到的，第一母线26、27、28与基部30以及第二母线29的相应的连接部分31、32、33以交叠关系布置。如在图2的俯视图中所看到的，第二母线29的连接部分31、32、33与第一母线26、27、28被设置使得其虚构的纵向中心线彼此平行而沿着连接部分31、32、33的横向彼此偏离。从而，第二母线29具有沿着其厚度方向（即，陶瓷衬底21与相应的金属板22至25层叠的方向）与第一母线26、27、28交叠的部分。
如图2所示，第三母线34、第二母线29和第一母线26至28具有与金属板22至25交叠并且平行于金属板22至25进行定向的表面。换句话说，第三母线34、第二母线29和第一母线26至28被布置成平行于金属板22至25延伸。
如图3所示，在陶瓷衬底21的底面上提供有应力消除构件35。应力消除构件35是金属板（如铝板），并且具有沿着其厚度方向贯穿该应力消除构件35的多个孔35A。
消除构件35被置于并且接合到陶瓷衬底21与冷却器11之间。冷却器11具有冷却剂流过的多个直通道11A。尽管在附图中未示出，但是冷却器11具有冷却剂流入和流出通道11A的入口和出口。
在本实施方式的三相逆变器10中，冷却器11和安装在冷却器11上的部件通过绝缘成型树脂（mold resin）12进行模制。具体地，成型树脂12覆盖冷却器11的顶面的一部分并且还覆盖第一半导体器件42、44、46、第二半导体器件41、43、45、金属板22至25、陶瓷衬底21、应力消除构件35、第一母线26至28、第二母线29和第三母线34。在这样的部件之间填充成型树脂12，具体地在第二母线29与第三母线34之间并且还在第二母线29与第一母线26至28之间填充成型树脂12。第三母线34的一部分和第二母线29的基部30的一部分从成型树脂12中凸出，这些部分通过例如外部电极与电源电连接。
图5示出了本实施方式的逆变器10的电路图。半导体器件41、42、43、44、45、46中的每个半导体器件具有包括一个开关器件（如Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6）和一个二极管D的一个器件。在相应的第二半导体器件41、43、45中的开关器件Q1、Q3、Q5起到逆变器10的上臂的作用。在相应的第一半导体器件42、44、46中的开关器件Q2、Q4、Q6起到逆变器10的下臂的作用。开关器件Q1至Q6可以由功率半导体器件（如IGBT（绝缘栅双极晶体管））或功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）提供。相应的开关器件Q1至Q6的栅极和发射极被设置在相应的半导体器件41至46的顶面上，并且相应的开关器件Q1至Q6的集电极被设置在相应的半导体器件41至46的底面上。相应的二极管D的阳极被设置在相应的半导体器件41至46的顶面上，并且相应的二极管D的阴极被设置在相应的半导体器件41至46的底面上。
开关器件Q1、Q2为串联连接，开关器件Q3、Q4为串联连接，并且开关器件Q5、Q6为串联连接。
开关器件Q1、Q3、Q5的集电极通过第四金属板25和第三母线34被连接到电池B或电源的正端子。开关器件Q2、Q4、Q6的发射极通过第二母线29被连接到电池B的负端子。
对于开关器件Q1至Q6中的每个开关器件的二极管被反向并联在发射极与集电极之间，具体地，二极管D在其阴极处连接到发射极并且在其阳极处连接到集电极。
开关器件Q1、Q2之间的连接、开关器件Q3、Q4之间的连接以及还有开关器件Q5、Q6之间的连接被连接到负载51（如三相电机）。逆变器10将电池B的DC电转换成将被供给到负载51的AC电。
在上述逆变器10中，第一母线26、27、28中的每个第一母线具有沿着其厚度方向与第二母线29交叠的部分，并且第二母线29具有沿着其厚度方向与第三母线34交叠的部分。电流流过第一母线26、27、28的方向和流过第三母线34的方向与电流流过第二母线29的方向相反。因此，由于互感，由流过第一母线26、27、28和第三母线34的电流所产生的磁通量被由流过第二母线29的电流所产生的磁通量抵消。
在第二母线29与相应的第一母线26、27、28之间填充成型树脂12，并且也在第二母线29与第三母线34之间填充成型树脂12。在逆变器10的操作期间，当电流流过第一母线26、27、28、第二母线29和第三母线34时，成型树脂12起到使第一母线26、27、28与第二母线29绝缘并且还使得第二母线29与第三母线34绝缘的绝缘层的作用。
本实施方式的逆变器10提供下面的优点。
（1）第一母线26、27、28中的每个第一母线具有沿着其厚度方向与第二母线29交叠的部分。在第二母线29与相应的第一母线26、27、28之间产生的互感导致逆变器10的感应系数减小。存在于第一母线26、27、28与第二母线29之间的成型树脂12起到在第一母线26、27、28与第二母线29之间的绝缘层的作用，因此使得能够降低第一母线26、27、28与第二母线29之间的绝缘距离。这样防止了在第一母线26、27、28与第二母线29之间的绝缘距离的增加，导致逆变器10的尺寸的减小。
（2）第二母线29具有沿着厚度方向与第三母线34交叠的部分。在第二母线29与第三母线34之间产生的互感导致逆变器10的感应系数进一步减小。存在于第二母线29与第三母线34之间的成型树脂12起到在第二母线29与第三母线34之间用于绝缘的绝缘层的作用，这防止了第二母线29与第三母线34之间的距离增加，使得逆变器10的尺寸的进一步减小。
（3）将金属板22至25设置在陶瓷衬底21上提供了金属板22至25的良好绝缘。
（4）将冷却器11接合到陶瓷衬底21的底面上。由半导体器件41至46产生的热量通过陶瓷衬底21被转移到冷却器11并且由冷却器11进行散热。
（5）被置于陶瓷衬底21与冷却器11之间的应力消除构件35用于减小由于冷却器11与陶瓷衬底21之间的线性膨胀系数的差异而产生的热应力。这样防止了在陶瓷衬底21与应力消除构件35之间的连接处以及在应力消除构件35与冷却器11之间的连接处产生裂纹，从而防止冷却器11脱离应力消除构件35。
（6）将开关器件Q1至Q6用作相应的半导体器件41至46使得开关器件Q1、Q2串联连接，使得开关器件Q3、Q4串联连接，并且使得开关器件Q5、Q6串联连接。这样串联连接的开关器件Q1、Q2、开关器件Q3、Q4和开关器件Q5、Q6中的每一对构成三相逆变器10的一相。
（7）使用冷却器11作为具有多个通道11A的散热构件使得通过冷却剂流过冷却器11的通道11A来使由半导体器件41至46产生的热量能够被有效散失。
（8）第二母线29相对于第一母线26、27、28和第三母线34的偏离布置有助于在树脂模制的过程期间在第二母线29与第一母线26、27、28之间以及第二母线29与第三母线34之间填充树脂。
（9）第二母线29的这样的偏离布置也使得容易检查第二母线29、第一母线26、27、28和第三母线34通过如焊接的方式而被接合的部分。
（10）第二母线29的偏离布置也有助于第二母线29、第一母线26、27、28和第三母线34通过如焊接的方式进行接合。
可以按照如下面所例示的各种方式对上述实施方式进行修改。
根据本发明，可以进行如下修改：使得第二母线29仅与第一母线26、27、28或第三母线34以交叠关系布置，并且还在彼此以交叠关系布置的这样的母线之间填充成型树脂12。可替换地，第二母线29可以与第一母线26、27、28中的至少一个以交叠关系布置。
第三母线34与第二母线29不仅可以定向成平行于金属板22至25，而且还可以定向成垂直于金属板22至25。在这种情况下，第三母线34与第二母线29被布置成沿着陶瓷衬底21和金属板22至25层叠的方向延伸。这有助于减小沿金属板22至25所测量的逆变器10的尺寸。
在这种情况下，冷却器11由绝缘材料制成，或者冷却器11的顶面涂覆有绝缘材料，逆变器10可以省掉陶瓷衬底21，并且金属板22至25可以直接接合到冷却器11。可替换地，金属板22至25可以设置在除冷却器11之外的任意绝缘构件上。
逆变器10可以省掉冷却器11，只要在逆变器10的操作期间产生的热量可以通过除冷却器11之外的装置进行充分释放即可。
逆变器10可以省掉应力消除构件35，只要在逆变器10的操作期间产生的热应力足够小即可。在这种情况下，冷却器11被铜焊到陶瓷衬底21的底面。
冷却器11可以被任意合适的平面散热构件替换。
本发明不仅可适用于三相逆变器（如10），还可适用于单相逆变器或DC-DC转换器。

Claims (8)

1.一种半导体单元，包括：
第一导电层；
与所述第一导电层电绝缘的第二导电层；
安装在所述第一导电层上的第一半导体器件；
安装在所述第二导电层上的第二半导体器件；
用于所述第二半导体器件与所述第一导电层的电连接的第一母线；以及
用于所述第一半导体器件与电池的正端子和负端子之一的电连接的第二母线，
其特征在于，所述第一母线与所述第二母线以在所述第一母线与所述第二母线之间填充成型树脂的方式以交叠关系布置。
2.根据权利要求1所述的半导体单元，还包括用于所述第二导电层与所述电池的正端子和负端子中的另一个端子的电连接的第三母线，
其中，所述第二母线与所述第三母线以在所述第二母线与所述第三母线之间填充成型树脂的方式以交叠关系布置。
3.根据权利要求2所述的半导体单元，还包括与所述第一导电层和所述第二导电层接合的绝缘层。
4.根据权利要求3所述的半导体单元，还包括与所述绝缘层接合的散热构件。
5.根据权利要求4所述的半导体单元，还包括在所述绝缘层与所述散热构件之间设置的应力消除构件。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的半导体单元，其中，所述第一半导体器件包括均具有集电极和发射极的三个下臂开关器件，所述第二半导体器件包括均具有集电极和发射极的三个上臂开关器件，所述第一导电层的数量为三个，所述下臂开关器件在其集电极处电连接到相应的第一导电层，所述上臂开关器件在其集电极处电连接到第二导电层，所述上臂开关器件在其发射极处通过所述第一母线电连接到相应的第一导电层，所述下臂开关器件在其发射极处通过所述第二母线电连接到所述电池的负端子，以及所述第三母线连接到所述第二导电层。
7.根据权利要求4或5所述的半导体单元，其中，所述散热构件为其中具有多个冷却剂通道的冷却器。
8.一种半导体单元，包括：
第一导电层；
与所述第一导电层电绝缘的第二导电层；
安装在所述第一导电层上的第一半导体器件；
安装在所述第二导电层上的第二半导体器件；以及
两个母线，两个母线之一被提供用于所述第一半导体器件与电池的正端子和负端子之一的电接连，两个母线中的另一个母线被提供用于所述第二导电层与所述电池的正端子和负端子中的另一个端子的电连接；
其中，所述两个母线以在所述母线之间填充成型树脂的方式以相互交叠关系布置。
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