CN105229785B - 功率半导体模块及其制造方法、电力变换器 - Google Patents

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Abstract

通过将功率半导体元件(4)接合于在上部具有凸状的阶梯部(12)的金属块(1)的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成了由陶瓷材料构成的绝缘层(2)的带绝缘层金属块(3)的元件安装区域，并将该带绝缘层金属块(3)嵌合并固定于金属板(5)的带凸檐贯通孔(17)内，能够制造低成本、散热性优良的功率半导体模块(100)。此外，通过具备该功率半导体模块(100)和散热器(11)，并以使金属块(1)的下表面隔着绝缘层(2)与散热器(11)抵接的方式将功率半导体模块(100)固定于散热器(11)，能够制造低成本、小型的电力变换器(300)。

Description

功率半导体模块及其制造方法、电力变换器
技术领域
本发明涉及一种用于逆变器、伺服控制器、UPS(不间断电源)等的功率半导体模块及其制造方法、电力变换器。
背景技术
功率半导体模块被广泛地应用于从家用空调、冰箱等民用，到逆变器、伺服控制器等产业用的电力变换设备领域。
从电力消耗这一点出发，功率半导体模块被搭载于散热性优良的DCB(DirectCopper Bonding：直接铜键合)基板和/或金属基印制布线基板。在这些布线板上搭载一个或多个功率半导体元件等电路元件，粘接塑料壳体框架(树脂壳体)，并用硅胶和/或环氧树脂等封装材料进行封装。金属基印制布线基板为由电路图案用铜箔、树脂绝缘层和金属板构成的印制布线板中的一种，并在上表面形成电路图案。
另一方面，为了降低制造成本，还有利用传递模塑成型方式的全模(full mould)功率半导体模块。通常，电力变换器由使用了前述记载的功率半导体模块的主电路和其他电源电路和/或控制用的电路构成。电源电路和/或控制用的电路由IC(集成电路)、LSI(大规模集成电路)、电阻器、电容器、电抗器等各种部件构成，通常被安装于印制基板。
下面，对专利文献1记载的搭载了现有的功率半导体模块30的电力变换器进行说明。
图9是采用了现有的功率半导体模块30的电力变换器600的主要部分构成图。就电力变换器600而言，为了提高散热性，在散热器11(以下，也称为“冷却翅片”)上隔着未图示的散热膏(散热油脂)搭载功率半导体模块30，其中，功率半导体模块30搭载有构成主电路的功率半导体元件51。在该功率半导体模块30上，空出间隔地层叠配置搭载了电力变换器600中的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件60的印制基板40a、印制基板40b，并通过支撑柱70(销等)固定于散热器11。然后，利用壳体50覆盖这些构成物整体。
此外，在专利文献2中，公开了如下构成的电力变换器：向在树脂基板形成有电路布线的布线基板的散热板插入孔埋入例如由铜构成的散热板(金属块)，并将在该散热板(金属块)的上表面利用焊料固定半导体芯片(功率半导体元件)而构成的半导体装置隔着设置在树脂基板和散热板(金属块)的各个背面的绝缘层搭载于散热器(heat sink)上而构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3791772号公报(图10)
专利文献2：日本特开2000-228466号公报
发明内容
技术问题
在前述图9所示的电力变换器600中，在散热器11上搭载的功率半导体模块30具备金属基印制布线基板20。该金属基印制布线基板20的结构为从散热器11侧依次层叠有金属底板、绝缘膜和电路图案，并在其电路图案上固定有功率半导体元件51。因此，在从功率半导体元件51到散热器11为止的散热路径之间存在多种材料(电路图案、绝缘膜、金属底板等)。因此，热阻变大，冷却特性也必然不充分，无法将功率半导体元件51中产生的热充分地释放到散热器11。
此外，在将功率半导体模块30安装到散热器11时，利用设置于树脂壳体31的外周部的安装孔32通过螺钉等固定。此时，在金属基印制布线基板20的金属底板33的中央附近与散热器11之间有时会产生缝隙34。因此，将散热膏(散热油脂)涂布到散热器11的接触面而固定功率半导体模块30，以通过散热膏填满金属基板33与散热器11之间的缝隙34，使接触热阻下降。
然而，如果在树脂壳体31的外周部进行螺钉固定，则由于紧固压力在功率半导体模块30与散热器11的整个接触面是不均匀的而偏向周边，所以即使在散热器11与金属底板33的接触面涂布散热膏，功率半导体模块30的中央部的热阻也会变大。这一现象随着功率半导体模块30的接触面积越大而变得越显著，并且为了提高散热性就需要大的散热器11，导致成本变高。
因此，以均匀的压力使功率半导体模块30与散热器11接触并且得到优良的散热性成为课题。应予说明，在专利文献2中也未示出这样的课题及应对该课题的构成。
本发明的目的在于解决前述课题，提供低成本且散热性优良的功率半导体模块及其制造方法和搭载了该功率半导体模块的电力变换器。
技术方案
为了实现前述目的，根据本发明，功率半导体模块的构成为具备：金属板，具有带凸檐贯通孔；和带绝缘层金属块，在金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成有由陶瓷材料构成的绝缘层，其中，前述带绝缘层金属块以其上部侧与前述带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合于前述金属板的前述带凸檐贯通孔内，并且，在前述金属块的上表面的前述元件安装区域固定有功率半导体元件，前述功率半导体元件与隔着绝缘材料配置于前述金属板上的电路图案通过连接导体进行连接。
根据上述发明，在将功率半导体模块固定于冷却用的散热器的状态下，能够使在其上表面固定有功率半导体元件的热容高、散热性优良的金属块的下表面隔着由陶瓷材料构成的绝缘层与散热器直接接触，因此，能够减小功率半导体元件下部的热阻，并由此能够使功率半导体模块的散热性提高。
此外，在金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成了由陶瓷材料构成的绝缘层的带绝缘层金属块以其上部侧与带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合于金属板的带凸檐贯通孔内。因此，在功率半导体模块通过经由金属板的周边部的安装孔的螺钉固定而固定于散热器的状态下，由于由螺钉固定产生的紧固压力通过高刚性的金属板传递，并从带凸檐贯通孔的凸檐传递到带绝缘层金属块的上部侧的外周部，所以带绝缘层金属块的底面被传递有均匀的压力。由此，由于在上部侧的元件安装区域固定了功率半导体元件的带绝缘层金属块的底面以均匀的充分大的压力与散热器接触，所以能够得到良好的散热性。
这样，根据上述发明，由于能够将功率半导体元件产生的热量进行有效地释放，所以能够使动作时的功率半导体元件的温度充分降低。其结果，由于可以将功率半导体元件自身的散热表面积设置得小，所以能够采用面积更小，且成本更低的功率半导体元件。
此外，由于能够将功率半导体元件的面积设置得更小，所以能够使搭载该功率半导体元件的带绝缘层金属块，进一步地，使嵌合该带绝缘层金属块于带凸檐贯通孔内的金属板更加小型化，由此，能够实现功率半导体模块的小型化和低成本化。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块中，前述带绝缘层金属块通过在上部具有凸状的阶梯部的金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成由陶瓷材料构成的绝缘层而形成，前述带绝缘层金属块以形成于前述阶梯部的底面的绝缘层与前述带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合于前述金属板的前述带凸檐贯通孔内。
根据上述发明，使带绝缘层金属块中的金属块的构成为在上部具有凸状的阶梯部。在金属块的上部没有凸状的阶梯部的情况，虽然也取决于功率半导体元件和电路图案的厚度，但是只要与金属板的带凸檐贯通孔中的凸檐的厚度和夹在金属板与电路图案之间的绝缘材料的厚度的合计厚度为相同程度，就会产生功率半导体元件的上表面比电路图案的上表面低的状态。对于此，在上述发明中，由于在金属块的上部的凸状的阶梯部中的底面形成的绝缘层与带凸檐贯通孔的凸檐的下表面抵接，并且在比上述阶梯部中的底面向上方突出的金属块的上表面固定有功率半导体元件，所以能够使功率半导体元件的上表面的高度更接近电路图案的上表面的高度，由此，能够使功率半导体元件与电路图案的通过铝线等的连接导体进行的连接作业更容易。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块中，前述带绝缘层金属块的底面从前述金属板的背面突出。
根据上述发明，通过使带绝缘层金属块的底面从金属板的背面突出，即使在隔着绝缘材料配置电路图案的金属板的面积变大的情况下，也能够在将功率半导体模块通过经由金属板的周边部的安装孔的螺钉固定而固定于散热器的状态下，使带绝缘层金属块的底面以均匀的充分大的压力与散热器接触，因此，能够可靠地得到良好的散热性。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块中，前述绝缘层的厚度为50μm以上且2000μm以下。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块中，前述绝缘层为由选自填料组中的至少一种材料构成的陶瓷层，所述填料组由氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氮化硼构成。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块中，前述绝缘层通过使用等离子喷涂法使由选自前述填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块中，前述绝缘层通过使用气溶胶沉积法使由选自前述填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块中，前述电路图案为固定于前述金属板上的印制基板的电路图案，并且在该电路图案上固定有电子部件。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块中，在前述印制基板的上方配置有固定有电子部件的另一个印制基板。
根据上述发明，通过在配置于上层侧的另一个印制基板也搭载电力变换器的主电路以外的例如电源电路和/或控制用的电路等所需的电子部件的一部分，能够减小固定于金属板上的下层侧的印制基板的面积，同时也能够减小金属板的面积，因此，能够实现功率半导体模块的小型化。此外，通过使金属板的面积变小，能够减小为了使金属板在螺钉固定于散热器的状态下不产生弯曲所需的金属板的厚度，并且相应地也能够减小金属块的厚度，因此，也能够实现功率半导体模块的重量的减轻化。进一步地，由于能够对功率半导体模块进行小型化且轻量化，所以能够提高将功率半导体模块固定于散热器构成电力变换器时的装配性，从而实现低成本化。
然后，根据本发明，电力变换器的构成为具备：前述功率半导体模块和散热器，其中，前述功率半导体模块以前述金属块的下表面隔着前述绝缘层与前述散热器抵接的方式固定于前述散热器。
然后，根据本发明，功率半导体模块的制造方法包括如下工序：在金属板形成带凸檐贯通孔的工序；在金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成由陶瓷材料构成的绝缘层而构成带绝缘层金属块的工序；将功率半导体元件固定于前述金属块的上表面的前述元件安装区域的工序；将前述带绝缘层金属块以其上部侧抵接于前述带凸檐贯通孔的凸檐的方式嵌合并固定于前述金属板的前述带凸檐贯通孔内的工序；隔着绝缘材料在前述金属板上形成电路图案的工序；以及通过连接导体将前述功率半导体元件和前述电路图案进行连接的工序。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块的制造方法中，在上部具有凸状的阶梯部的金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成由陶瓷材料构成的绝缘层而构成前述带绝缘层金属块，并且将前述带绝缘层金属块以形成于前述阶梯部的底面的绝缘层与前述带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合并固定于前述金属板的前述带凸檐贯通孔内。
此外，可选地，在本发明的功率半导体模块的制造方法中，前述绝缘层通过使用等离子喷涂法、气溶胶沉积法和溅射法中的任一种方法使由选自填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成，所述填料组由氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氮化硼构成。
技术效果
根据本发明，由于能够有效地释放功率半导体元件中产生的热量，所以能够采用面积更小，且成本更低的功率半导体元件，因此，能够制造低成本且散热性优良的功率半导体模块。此外，通过搭载该功率半导体模块能够制造低成本且小型的电力变换器。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的功率半导体模块100的构成图，图1a是主要部分俯视图，图1b是沿图1a的X-X线剖切得到的主要部分剖视图，此外，图1c、图1d是分别示出功率半导体模块的不同的构成例的部分剖视图。
图2是以工序顺序示出本发明的第二实施例的图1中所示的功率半导体模块100的制造方法的主要部分制造工序剖视图。
图3是接着图2以工序顺序示出本发明的第二实施例的图1中所示的功率半导体模块100的制造方法的主要部分制造工序剖视图。
图4是接着图3以工序顺序示出本发明的第二实施例的图1中所示的功率半导体模块100的制造方法的主要部分制造工序剖视图。
图5是本发明的第三实施例的功率半导体模块200的主要部分构成图。
图6是本发明的第四实施例的电力变换器300的主要部分构成图。
图7是本发明的第五实施例的电力变换器400的主要部分剖视图。
图8是本发明的第六实施例的电力变换器500的主要部分剖视图。
图9是采用了现有的功率半导体模块30的电力变换器600的主要部分构成图。
具体实施方式
通过以下的实施例来说明本发明的实施方式。应予说明，本发明并不限于下述实施方式，可以在不改变其主旨的范围内进行适当变形而实施。此外，在以下说明中，只要没有特别说明，对所有图中相同的部分或元件标记相同的参照符号。
实施例一
图1是本发明的第一实施例的功率半导体模块100的构成图，图1a是主要部分俯视图，图1b是沿图1a的X-X线剖切得到的主要部分剖视图，此外，图1c、图1d是分别示出功率半导体模块的不同的构成例的部分剖视图。
该功率半导体模块100具备：设置了具有凸檐17a的带凸檐贯通孔17的金属板5、嵌合于带凸檐贯通孔17的上部具有凸状的阶梯部12的带绝缘层金属块3和在作为带绝缘层金属块3的绝缘层2的开口部16且作为供金属块1的上表面露出的区域的元件安装区域通过例如利用焊料的接合等直接固定的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等功率半导体元件4(以下，也称为“半导体芯片”)。
这里，金属板5的带凸檐贯通孔17构造为在沿板厚方向贯通金属板5的开口部(贯通孔)的内周侧壁的上端部设置作为向内侧突出的突出部的凸檐17a。在功率半导体模块100中，如图1b所示，以使带绝缘层金属块3的凸状的阶梯部12中的被绝缘层2覆盖的底面13与金属板5的带凸檐贯通孔17的凸檐17a的下表面抵接的方式，将带绝缘层金属块3嵌合并固定于金属板5的带凸檐贯通孔17内。
由于带绝缘层金属块3的构成为在金属块1的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域(开口部16)以外的部分直接形成由陶瓷材料构成的绝缘层2，因此，在将该带绝缘层金属块3嵌合并固定于金属板5的带凸檐贯通孔17内的状态下，通过绝缘层2来确保金属块1与金属板5之间的电绝缘。由此，如后述的图6所示，在将功率半导体模块100固定于由金属材料构成的散热器11的状态下，虽然金属板5与散热器11直接接触而与散热器11为等电位，但是能够确保金属块1相对于散热器11电绝缘。
应予说明，就金属块1而言可以使用例如铜，但是形成金属块1的金属材料并不限于铜，还可以应用例如铜合金、铝、铝合金等。
此外，功率半导体模块100具备：固定于金属板5上的印制基板6、在印制基板6的电路图案6a上固定的电子部件8和将功率半导体元件4与印制基板6的电路图案6a连接的铝线7。
这里，在功率半导体模块100中，不仅需要构成电力变换器的主电路的功率半导体元件4，还需要构成电力变换器的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路的其他电子部件。此外，还需要用于将功率半导体元件4与外部导通的电路图案。因此，如上所述，将形成了电路图案6a的印制基板6固定于金属板5上。
在作为功率半导体元件4而安装了例如IGBT的构成中，IGBT的背面的集电极与带绝缘层金属块3的元件安装区域(金属块1的上表面)接合，并且在IGBT的表面形成的发射电极和栅电极分别通过铝线7与印制基板6的电路图案6a连接。
固定于金属板5上的印制基板6由利用例如玻璃环氧树脂(利用玻璃纤维强化的环氧树脂)等构成的绝缘基板6b和形成于该绝缘基板6b上的电路图案6a构成，并在中央部形成有与金属板5的带凸檐贯通孔17的凸檐17a的位置的开口部17b对应的开口部19。应予说明，形成绝缘基板6b的材料不限于上述的玻璃环氧树脂，可以为以与金属板5电绝缘的状态支撑电路图案6a的绝缘材料。
此外，功率半导体模块100具备固定于印制基板6的外周并具有未图示的外部引出端子的树脂壳体9和填充在树脂壳体9内的硅胶等封装材料10。
图1所示的电子部件8为构成电力变换器中的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路的电感器、电阻器、电容器等部件中的一部分。此外，图中的符号17b为凸檐17a的位置的开口部，21为设置于金属板5和印制基板6的外周部的安装孔。就安装孔21而言，虽然在俯视图中未示出，但是可配置于例如两端的中央部的两个位置或端部的四个角的四个位置。
前述的绝缘层2为由氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氮化硼中的至少一种材料构成的陶瓷微粒形成的陶瓷层。
以前述的带绝缘层金属块3的底面(以下，也称为“下表面”)18从金属板5的背面(以下，也称为“下表面”)5a稍微突出的方式将带绝缘层金属块3固定于金属板5。该突出的高度为数10μm的程度。应予说明，在能够使金属板5的背面5a与带绝缘层金属块3的底面18的面高度高精度地一致的情况下，不需要上述那样的使带绝缘层金属块3的底面从金属板5的背面5a突出的构成。此外，在金属板5的面积小的情况下也未必需要使带绝缘层金属块3的底面18突出。但是，至少一定要避免带绝缘层金属块3的底面18从金属板5的背面5a凹陷进去的状态。
如前所述，带绝缘层金属块3以其底面18从金属板5的背面5a稍微突出的方式嵌合于在金属板5形成的带凸檐贯通孔17。为了将功率半导体模块100固定于冷却用的散热器11(参照图6)，在金属板5和印制基板6的外周部形成有螺钉固定用的安装孔21。
使用图6对螺钉固定产生的紧固压力的传递进行说明。通过螺钉固定使金属板5的外周部紧贴着散热器11的上表面而固定。螺钉固定产生的紧固压力P在具有刚性的金属板5中传递，并从带凸檐贯通孔17的凸檐17a传递到带绝缘层金属块3的上部的凸状的阶梯部12。由于该阶梯部12形成于带绝缘层金属块3的外周部，所以在带绝缘层金属块3的底面18传递有均匀的压力P。此外，通过使该底面18比金属板5的背面5a突出数十μm的程度，使带绝缘层金属块3以均匀且充分大的压力与散热器11接触。这样，由于带绝缘层金属块3以均匀且充分大的压力安装于散热器11，所以能够得到优良的散热性。当然，通过在散热器11涂布散热膏(散热油脂)能够进一步提高散热性。
即使在增加固定于印制基板6的电子部件8的个数，使印制基板6的面积变大，并使固定该印制基板6的金属板5变大的情况下，也能够通过使带绝缘层金属块3的底面18如前述那样突出，来以均匀且充分大的压力与散热器11接触。
此外，由于前述的功率半导体元件4不隔着绝缘层2而通过例如利用焊料的接合等直接固定于热容大、散热性优良的金属块1，所以能够有效地释放功率半导体元件4中产生的热量，因此，能够充分降低动作时的功率半导体元件4的温度。其结果，由于功率半导体元件(半导体芯片)4自身的散热表面积可以较小，所以能够采用更小型、面积小的功率半导体元件(半导体芯片)4从而实现低成本化。
此外，如前所述那样，由于带绝缘层金属块3与散热器11的接触性得到改善，所以也可以减小带绝缘层金属块3自身的散热表面积，因此，在能够将带绝缘层金属块3小型化的同时，也能够由此实现低成本化。
此外，由于将电力变换器中的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件8的一部分安装于前述印制基板6，并容纳于树脂壳体9，所以能够实现电力变换器的小型化和低成本化。
此外，通过如上所述那样使带绝缘层金属块3的底面18的绝缘层2从金属板5的背面5a突出，能够减小功率半导体模块100与散热器11之间的接触热阻。通过减小接触热阻，能够将在功率半导体模块100进行动作时上升的功率半导体元件4的温度抑制得更低。因此，能够将功率半导体元件(半导体芯片)4更加小型化，同时也能够由此使带绝缘层金属块3更加小型化。并且，能够通过该小型化降低制造成本。
此外，通过将印制基板6固定于金属板5上，能够有效地向金属板5释放电子部件8中产生的热量。应予说明，在金属板5与散热器11之间有缝隙的情况下可以通过涂布散热膏来提高散热性。其结果，由于能够将电子部件8密集地配置于印制基板6，所以能够实现印制基板6的小型化和低成本化。
这样，就本发明的功率半导体模块100而言，通过采用将功率半导体元件4通过例如利用焊料的接合等直接固定于作为嵌合于金属板5的带凸檐贯通孔17的上部具有凸状的阶梯部12的带绝缘层金属块3的绝缘层2的开口部16并作为供金属块1的上表面露出的区域的元件安装区域的构成，与如图9所示的现有的电力变换器600中的功率半导体模块30那样将功率半导体元件51固定于金属基印制布线基板20的电路图案而制作同一电路构成的情况相比，散热性更优良，并能够实现小型化和低成本化。
此外，在图9所示的现有的电力变换器600中的功率半导体模块30中未搭载电力变换器600中的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件60，与此同样地，在本发明的功率半导体模块100中不搭载主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件8的情况下，由于本发明的功率半导体模块100与现有的功率半导体模块30相比散热性优良，所以能够进行小型化，由此还能够降低制造成本。
下面，图1c、图1d是分别示出功率半导体模块的不同的构成例的部分剖视图，是示出带绝缘层金属块的部分的剖面结构的图。
图1c示出的功率半导体模块100A相对于图1b示出的功率半导体模块100的不同点在于：其带绝缘层金属块3A具备阶梯部12A来代替带绝缘层金属块3的阶梯部12。就带绝缘层金属块3A的阶梯部12A而言，其侧面部的高度尺寸比带绝缘层金属块3的阶梯部12大，带绝缘层金属块3A的上表面从金属板5的上表面向图的上方突出。阶梯部12A的侧面部的绝缘层2中的从金属板5的上表面突出的部分的高度作为金属块1A与金属板5之间的绝缘爬电距离有效。因此，在为了能够在金属块1A与金属板5之间确保充分的绝缘爬电距离而设定了带绝缘层金属块3A的上表面从金属板5的上表面突出的尺寸的情况下，也可以采用如图1c所示在构成带绝缘层金属块3A的金属块1A的整个上表面都不形成绝缘层2的构成。功率半导体模块100A中的带绝缘层金属块3A与金属板5的带凸檐贯通孔17的嵌合结构与功率半导体模块100相同。应予说明，功率半导体模块100A的构成除了带绝缘层金属块的结构以外与功率半导体模块100相同，图1c中省略图示功率半导体模块100A的整体结构。
图1d示出的功率半导体模块100B相对于图1b示出的功率半导体模块100的不同点在于：其带绝缘层金属块3B不具备带绝缘层金属块3那样的阶梯部12。在功率半导体模块100B中，如图1d所示，以使带绝缘层金属块3B的上表面的被绝缘层2覆盖的边缘部与金属板5的带凸檐贯通孔17的凸檐17a的下表面抵接的方式，将带绝缘层金属块3B嵌合并固定于金属板5的带凸檐贯通孔17内。应予说明，功率半导体模块100B的构成除了带绝缘层金属块的结构以外与功率半导体模块100相同，图1d中省略图示功率半导体模块100B的整体结构。
实施例二
图2～图4涉及本发明的第二实施例，是以工序顺序示出图1中所示的功率半导体模块100的制造方法的主要部分制造工序剖视图。
(1)首先，说明形成带绝缘层金属块3的工序。
在图2a中，最初，通过冲裁加工将1.0mm～5.0mm程度的厚度的铜板冲裁成正方形或长方形，形成上部具有凸状的阶梯部12a的金属块1。图中的符号13a表示阶梯部12a的底面。
然后，在图2b中，通过等离子喷涂法或气溶胶沉积法将陶瓷微粒14(14a)喷涂或沉积而层叠于前述金属块1，并由此形成覆盖了绝缘层2的带绝缘层金属块3。此时，在带绝缘层金属块3的上表面的中央部配置掩模15，设置供金属块1的上表面露出的绝缘层2的开口部16(元件安装区域)。这是为了使功率半导体元件(半导体芯片)4通过焊料等直接固定于该露出的金属块1的表面而进行电气和机械性的接合。金属块1的其他位置被前述的绝缘层2覆盖。在图2b中示出了将金属块1固定，从金属块1的上下左右进行陶瓷微粒14(14a)的喷涂或沉积的情况。另一方面，也可以使金属块1旋转，并从一个方向进行陶瓷微粒14(14a)的喷涂或沉积。应予说明，在图2a中示出的金属块1的阶梯部12a与底面13a在图2b示出的带绝缘层金属块3中变为覆盖有绝缘层2的阶梯部12和底面13。
对将该绝缘层2覆盖于金属块1的方法进行进一步说明。
[A]使用等离子喷涂法的情况
绝缘层2的形成所需的陶瓷微粒14可以使用由氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氮化硼中的至少一种材料构成的陶瓷微粒。
此外，形成绝缘层2时的气体环境为在大气或减压下，对金属块1进行喷涂使绝缘层2沉积而形成带绝缘层金属块3。绝缘层2的厚度可以通过控制喷涂时间(秒级)来调整。绝缘层2的厚度可以为50～2000μm的范围。这是因为如果前述的绝缘层2的厚度小于50μm，则绝缘击穿强度过低，很难在额定电压100V以上的功率半导体模块中应用。另一方面，如果绝缘层2的厚度大于2000μm，则由于绝缘层2形成得过厚热阻变大，所以很难采用。优选地，绝缘层2的厚度可以为50μm以上且500μm以下。此外，作为一个例子，在绝缘层2的厚度为200μm左右的情况下，具有交流击穿电压为5kV以上的绝缘击穿强度，可以应用于耐压额定值为1200V的功率半导体模块。
[B]使用气溶胶沉积法的情况
气溶胶沉积法是指将微粒或超微粒原料与气体混合进行气溶胶化，并通过喷嘴在基板(这里指金属块1)形成被膜的技术。气体可以使用氦气或空气。被膜形成装置由气溶胶形成室和成膜室构成。成膜室通过真空泵减压为50～1kPa左右。
将作为原料的陶瓷微粒14a或超微粒材料在被干燥了的状态下在气溶胶形成室内与气体搅拌、混合而进行气溶胶化。气溶胶化的微粒(超微粒)通过由于两室的压力差而产生的气流被输送到成膜室，并通过狭缝上的喷嘴加速，从而喷射到金属块1。
对于原料的陶瓷微粒14a，使用粉碎成粒径为0.1～2μm的陶瓷。通过使被气体输送的陶瓷微粒14a通过经减压的室内的微小开口的喷嘴，能够加速到数百m/sec的速度。由于成膜速度和成膜体的密度较大依赖于使用的陶瓷微粒14a的粒径、凝聚状态和干燥状态等，所以在气溶胶形成室和成膜室之间设置有凝聚粒子的粉碎器和/或分级器。
对使前述的绝缘层2以膜状形成于金属块1的原理进行说明。
如果将粒径为0.1～2μm的陶瓷微粒14a高速地喷射到金属块1上，则由于当时的碰撞能量使得被击碎成10～30nm左右的微晶粒、形成新的表面、表面被活化、粒子彼此结合。因此，能够形成细密的纳米晶体结构的陶瓷膜(绝缘层2)。此外，该陶瓷膜(绝缘层2)可以不特别地提高温度而在常温下形成。
作为气溶胶沉积的陶瓷微粒14a，优选使用粒径为0.1μm～2μm程度的氧化铝、氮化硅、氮化铝和氮化硼中的任意一种材料。
这里，陶瓷微粒14a可以应用在氮化硅、氮化铝、氮化硼中的任意一种材料的陶瓷微粒形成氧化铝的被膜的陶瓷微粒，或在氮化硅、氮化铝、氮化硼中的任意一种材料的陶瓷微粒形成氧化硅的被膜的陶瓷微粒。如果将这些陶瓷微粒14a进行组合，则能够形成复合了两种材料以上的绝缘层2。
绝缘层2的厚度与喷涂法相同，可以为50～2000μm的范围，优选地，绝缘层2的厚度可以为50μm以上且500μm以下。此外，作为一个例子，在绝缘层2的厚度为200μm左右的情况下，具有交流击穿电压为5kV以上的绝缘击穿强度，能够应用于耐压额定值为1200V的功率半导体模块。
应予说明，除了前述的等离子喷涂法、气溶胶沉积法以外，还可以使用溅射法等形成绝缘层2。
(2)接着，说明将功率半导体元件(半导体芯片)4固定于带绝缘层金属块3的工序。
在图2c中，利用焊料等将功率半导体元件(半导体芯片)4固定于带绝缘层金属块3的上表面的露出了金属块1的开口部16(元件安装区域)而进行电气和机械性的接合。
焊料固定通常使用膏状焊料在回流炉中进行。焊料使用例如由SnPbAg构成的高温焊料、由SnAgCu系构成的无铅焊料等。焊接的温度可根据焊料的熔点来设定。
如果在功率半导体元件(半导体芯片)4与带绝缘层金属块3之间的焊料层残留有空隙(void)，则热阻变高，变得无法有效地释放从功率半导体元件(半导体芯片)4产生的热量。于是，为了不产生空隙，在焊料处于熔融的状态下，以例如10Torr(10×133Pa)程度以下的数Torr(数百Pa)程度进行抽真空。
(3)接下来，说明形成金属板5的工序。
在图3d中，准备安装前述带绝缘层金属块3的金属板5。
在金属板5的中央附近形成用于嵌合并固定带绝缘层金属块3的带凸檐贯通孔17。该带凸檐贯通孔17的凸檐17a起到与带绝缘层金属块3的凸状的阶梯部12的底面13接触从而将从金属板5传递的向下方的压力P传递到带绝缘层金属块3的底面18的作用。因此，要求该金属板5具有高热传导性和高刚性，例如，使用铝板或铜板。金属板5的厚度t虽然根据面积而改变，但是为了不产生弯曲可设定为1mm～5mm程度。图中的符号17b为如前所述的凸檐17a的位置的开口部。
(4)然后，说明将带绝缘层金属块3嵌合并固定于金属板5的带凸檐贯通孔17的工序。
在图3e中，将前述带绝缘层金属块3嵌合并固定于金属板5的带凸檐贯通孔17。此时，为了使金属板5的压力P从带凸檐贯通孔17的凸檐17a传递到带绝缘层金属块3的凸状的阶梯部12的底面13而使凸檐17a与阶梯部12的底面13接触。这里，以使凸状的阶梯部12的突出的位置12b与凸檐17a的位置的开口部17b位置相互匹配的方式进行设计。此外，为了使带绝缘层金属块3不从带凸檐贯通孔17脱落，可以隔着粘接剂进行嵌合并固定。
此外，为了使散热器11(参照图6)与带绝缘层金属块3的接触性变好，可以将带绝缘层金属块3的底面18，即绝缘层2的下表面从金属板5的背面5a突出数10μm左右。应予说明，也有将背面5a与底面18的面高度设置为一致的情况。此外，在金属板5的面积小的情况下，也有不使其突出的情况。
下面，对将带绝缘层金属块3嵌合并固定于金属板5的方法进行说明。
将前述的带绝缘层金属块3以使功率半导体元件4的安装面一侧朝上的方式配置，并将金属板5以使带凸檐贯通孔17的一侧朝上的方式从上方向下方移动，从而使带绝缘层金属块3嵌合并固定于带凸檐贯通孔17。当然，也可以与上述方法相反地，将金属板5以使带凸檐贯通孔17的一侧朝下的方式配置，并将带绝缘层金属块3以使功率半导体元件4的安装面一侧朝下的方式从上方向下方移动，从而使带绝缘层金属块3嵌合并固定于带凸檐贯通孔17。在进行该嵌合时，使带绝缘层金属块3的上部的凸状的阶梯部12的底面13与带凸檐贯通孔17的凸檐17a抵接。此时，如前所述，以使带绝缘层金属块3的底面18，即绝缘层2的下表面比金属板5的背面5a突出数十μm左右的方式对带绝缘层金属块3的厚度尺寸进行设计。
通过这样地将带绝缘层金属块3嵌合并固定于金属板5的带凸檐贯通孔17，使得在将金属板5螺钉固定于散热器11的情况下，带绝缘层金属块3的底面18以均匀且充分大的压力与散热器11接触。
使用图6来说明该过程。在通过螺钉固定向金属板5施加向下方的压力P时，压力P从形成于金属板5的带凸檐贯通孔17的凸檐17a被施加到带绝缘层金属块3的凸状的阶梯部12的底面13。由于该凸状的阶梯部12被形成于带绝缘层金属块3的上部的周围整个区域，所以被施加的压力P在带绝缘层金属块3的底面18的整个区域中成为均匀的压力，带绝缘层金属块3的底面18通过该均匀的压力与散热器11接触。
(5)说明直到将电子部件8固定于印制基板6为止的工序。
在图3f中，准备粘贴于前述金属板5上的印制基板6。该印制基板6由利用例如玻璃环氧树脂(利用玻璃纤维强化的环氧树脂)等构成的绝缘基板6b和形成于该绝缘基板6b上的电路图案6a构成，并在中央部形成有与金属板5的带凸檐贯通孔17的凸檐17a的位置的开口部17b对应的开口部19。此外，在印制基板6的外周部形成有用于利用螺钉固定于散热器11的安装孔21。
然后，在图4g中，以使印制基板6的开口部19位于金属板5的带凸檐贯通孔17的凸檐17a的位置的开口部17b的方式，将形成于金属板5和印制基板6的外周部的安装孔21的位置彼此对准。在该状态下利用粘接剂将印制基板6粘贴于金属板5。作为粘接剂，优选为热传导率大的粘接剂。
然后，在图4h中，将电力变换器的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件8的一部分固定于该印制基板6。接下来，通过铝线7等连接导体将功率半导体元件4与形成于印制基板6的电路图案6a互相连接。铝线7的线径为125～500μm的程度，并通过超声波接合进行与各部位的接合。该连接也可以使用引线框架或带状的铝等连接导体来代替铝线7进行。此外，电子部件8向印制基板6的电路图案6a的固定通过焊料等进行。
(6)然后，说明从上述(5)的后续工序到完成功率半导体模块100为止的工序。
在图4i中，为了对功率半导体元件4和固定于印制基板6的电子部件8与印制基板6的电路图案6a之间进行电绝缘或表面保护，在将树脂壳体9固定于金属板5(图中也包含印制基板6)后，利用硅胶等封装材料10填充树脂壳体9内。应予说明，作为封装材料10，可以使用环氧树脂、聚氨酯树脂等填充材料。经过这样的工序，则完成功率半导体模块100。
实施例三
图5是本发明的第三实施例的功率半导体模块200的主要部分构成图。功率半导体模块200与图1的功率半导体模块100的不同点在于：将用于搭载电力变换器的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件的印制基板设置成粘贴在金属板5的上表面的印制基板6和在该印制基板6的上方以空出间隔的方式配置的印制基板6A的双层结构。该印制基板6A与上述的印制基板6同样，由利用例如玻璃环氧树脂(利用玻璃纤维强化的环氧树脂)等构成的绝缘基板6Ab和形成于该绝缘基板6Ab上的电路图案6Aa构成。
功率半导体模块200与图1的功率半导体模块100同样具备：具有固定于印制基板6的外周且未图示的外部引出端子的树脂壳体9和填充在树脂壳体9内的硅胶等封装材料10。图5所示的电子部件8为构成电力变换器的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路的电感器、电阻器、电容器等部件的一部分。
在印制基板6的上方以空出间隔的方式配置的印制基板6A以例如固定于树脂壳体9的内周面的方式被支撑，树脂壳体9内的部件也包含该印制基板6A被封装材料10封装。
通过在上层的印制基板6A也搭载电力变换器的主电路以外的电源电路和/或控制用电路所需的电子部件8的一部分，能够减小下层的印制基板6的面积，同时也能够减小粘贴有印制基板6的金属板5的面积，由此，能够实现功率半导体模块200的小型化。此外，通过使金属板5的面积变小，能够减小为了使金属板5在螺钉固定于散热器11的状态下不产生弯曲所需的金属板5的厚度，同时对应地也能够减小金属块1的厚度，因此，能够实现功率半导体模块200的重量的减轻化。进一步地，由于能够将功率半导体模块200进行小型化且轻量化，所以能够提高将功率半导体模块200固定于散热器11而构成电力变换器(后述的电力变换器400)的情况的装配性，从而实现低成本化。应予说明，图中的符号S表示功率半导体模块200的底面积。还应说明，虽然这里作为印制基板的结构示出了双层的例子，但是也有设置成更多层的情况。
实施例四
图6是本发明的第四实施例的电力变换器300的主要部分构成图，示出了将图1的功率半导体模块100固定于散热器(冷却翅片)11而制造的电力变换器的例子。
将图1的功率半导体模块100隔着散热膏(散热油脂)螺钉固定于散热用的散热器(冷却翅片)11从而制成电力变换器300。在功率半导体模块100的底面积小的情况下也有不使用散热膏的情况。应予说明，作为形成散热器11的金属材料可以应用例如铜、铜合金、铝、铝合金等。
功率半导体模块100向散热器11的固定通过使用形成于外周部的安装孔21和散热器11的螺纹孔11a进行螺钉固定来进行。即使是利用该外周部进行的螺钉固定，由于带绝缘层金属块3的底面18从金属板5的背面5a突出，所以带绝缘层金属块3的底面18以均匀的压力与散热器11接触，因此能够得到优良的散热性。
此外，作为构成电力变换器300中的带绝缘层金属块3的底面18的绝缘层2，即形成于金属块1的底面(下表面)侧的绝缘层2，特别是在采用由上述的第二实施例中说明的气溶胶沉积法或等离子喷涂法得到的陶瓷材料的绝缘层的情况，有如下优点。
(1)绝缘耐压的提高
在气溶胶沉积法中，能够在室温(常温)下成膜，且由于以声速级的速度使亚微米级的陶瓷微粒碰撞向基板，所以使得露出了具有活性的新的表面的陶瓷微粒进行结合。此外，通过等离子喷涂法也是同样的。无论在哪个方法中，都能够形成作为非常细密的电绝缘膜的陶瓷微粒层，由于膜内不含有空隙(void)，所以与通过现有的烧结法形成的陶瓷板相比每单位长度的击穿电压提高10倍左右。
(2)热阻的下降
热传导率与块体(bulk)中的热传导率相同，能够确保热传导率例如在氧化铝(Al2O3)的情况下为约20W/m·K、在氮化铝(AlN)的情况下为约160～180W/m·K、在氮化硅(Si3N4)的情况下为约80W/m·K的程度。在此基础上还提高每单位长度的击穿电压，因此能够将绝缘层2形成得较薄，由此使整体的热阻变小。
基于这几点能够同时确保绝缘层2的强绝缘和低热阻。
这样，就电力变换器300而言，由于其以使在上表面安装功率半导体元件4的金属块1的底面(下表面)隔着由热传导性优良的陶瓷材料构成的绝缘层2以均匀的压力与散热器11接触的方式构成，所以能够使功率半导体元件4下部的热阻充分减小，从而成为具备优良的散热性的器件，由此，与现有结构相比能够实现小型化和低成本化。
应予说明，构成电力变换器300的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路的电子部件8(电感器、电阻器、电容器等)可以全部搭载于印制基板6，也可以只将一部分的部件搭载于印制基板6，同时将剩余的部件搭载于在散热器11上固定的未图示的另一个印制基板。
实施例五
图7是本发明的第五实施例的电力变换器400的主要部分剖视图。电力变换器400与图6的电力变换器300的不同点在于：将搭载了双层结构的印制基板的功率半导体模块200固定于散热器(冷却翅片)11。在电力变换器400中，通过使功率半导体模块200的底面积S比电力变换器300中的功率半导体模块100的底面积小，能够进一步将散热器11进行小型化。其结果，与图6的电力变换器300相比，电力变换器400能够进一步小型化和低成本化。此外，构成电力变换器400的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路的电子部件中，如果有无法搭载于该双层的印制基板6和印制基板6A的电子部件时，可以以使该电子部件搭载于未图示的另一个印制基板，并将该另一个印制基板固定于散热器11的方式构成电力变换器400。
实施例六
图8是本发明的第六实施例的电力变换器500的主要部分剖视图。电力变换器500与图6的电力变换器300的不同点在于：将搭载了电力变换器500的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件8中的一部分部件的印制基板6B以空出间隔的方式层叠配置在功率半导体模块100上，并利用壳体22覆盖。
该印制基板6B与上述的印制基板6和印制基板6A同样，由利用例如玻璃环氧树脂(利用玻璃纤维强化的环氧树脂)等构成的绝缘基板6Bb和形成于该绝缘基板6Bb上的电路图案6Ba构成。如图8所示，印制基板6B的支撑结构可以为以使印制基板6B的侧面端部固定于设置在散热器11上的支撑柱23的方式进行配置的构成，但是并不限于这样的构成，例如也可以为以使印制基板6B的背面(下表面)固定于功率半导体模块100的树脂壳体9的上端部的方式进行配置的构成。
在电力变换器500中，由于如上所述将电力变换器500的主电路以外的电源电路和/或控制用的电路所需的电子部件8中的一部分部件搭载于设置在功率半导体模块100的外部的印制基板6B，所以能够将设置于功率半导体模块100的内部的印制基板6小型化，同时还能够将粘贴印制基板6的金属板5小型化，由此能够实现功率半导体模块100的小型化。
进一步地，通过将构成功率半导体模块100的印制基板6和金属板5小型化，能够提高功率半导体模块100的装配性，从而实现低成本化。
此外，进一步地，电力变换器500中的功率半导体模块100的底面积与电力变换器300中的功率半导体模块100的底面积相比变小。因此，虽然还取决于印制基板6B的支撑结构，但是可以将散热器11也与功率半导体模块100的底面积变小相匹配地进行小型化，由此，能够实现电力变换器500的小型化和低成本化。
应予说明，在图8中，虽然电力变换器500采用在功率半导体模块100上以空出间隔的方式层叠一层搭载了电子部件8的印制基板6B的构成，但是也可以采用层叠多层的构成。
本申请基于2013年4月24日申请的日本特愿2013-090971。其内容全部包含于此。

Claims (17)

1.一种功率半导体模块，其特征在于，具备：
金属板，具有带凸檐贯通孔；和
带绝缘层金属块，在金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成有由陶瓷材料构成的绝缘层，
其中，所述带绝缘层金属块以其上部侧与所述带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合于所述金属板的所述带凸檐贯通孔内，并通过所述绝缘层确保所述金属块与所述金属板之间的电绝缘，
并且，在所述金属块的上表面的所述元件安装区域固定有功率半导体元件，
所述功率半导体元件与隔着绝缘材料配置于所述金属板上的电路图案通过连接导体进行连接。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述带绝缘层金属块通过在上部具有凸状的阶梯部的金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成由陶瓷材料构成的绝缘层而形成，所述带绝缘层金属块以形成于所述阶梯部的底面的绝缘层与所述带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合于所述金属板的所述带凸檐贯通孔内。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述带绝缘层金属块的底面从所述金属板的背面突出。
4.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述带绝缘层金属块的底面从所述金属板的背面突出。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述绝缘层的厚度为50μm以上且2000μm以下。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述绝缘层为由选自填料组中的至少一种材料构成的陶瓷层，所述填料组由氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氮化硼构成。
7.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述绝缘层为由选自填料组中的至少一种材料构成的陶瓷层，所述填料组由氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氮化硼构成。
8.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述绝缘层通过使用等离子喷涂法使由选自所述填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成。
9.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述绝缘层通过使用等离子喷涂法使由选自所述填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成。
10.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述绝缘层通过使用气溶胶沉积法使由选自所述填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成。
11.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述绝缘层通过使用气溶胶沉积法使由选自所述填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成。
12.根据权利要求1～4中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述电路图案为固定于所述金属板上的印制基板的电路图案，并且在该电路图案上固定有电子部件。
13.根据权利要求12所述的功率半导体模块，其特征在于，
在所述印制基板的上方配置有固定有电子部件的另一个印制基板。
14.一种电力变换器，其特征在于，具备：
权利要求1～13中任一项所述的功率半导体模块和散热器，其中，所述功率半导体模块以所述金属块的下表面隔着所述绝缘层与所述散热器抵接的方式固定于所述散热器。
15.一种功率半导体模块的制造方法，其特征在于，包括如下工序：
在金属板形成带凸檐贯通孔的工序；
在金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成由陶瓷材料构成的绝缘层而构成带绝缘层金属块的工序；
将功率半导体元件固定于所述金属块的上表面的所述元件安装区域的工序；
将所述带绝缘层金属块以其上部侧抵接于所述带凸檐贯通孔的凸檐的方式嵌合并固定于所述金属板的所述带凸檐贯通孔内，并通过所述绝缘层确保所述金属块与所述金属板之间的电绝缘的工序；
隔着绝缘材料在所述金属板上形成电路图案的工序；以及
通过连接导体将所述功率半导体元件和所述电路图案进行连接的工序。
16.根据权利要求15所述的功率半导体模块的制造方法，其特征在于，
在上部具有凸状的阶梯部的金属块的上表面以外的各表面和该上表面的除了元件安装区域以外的部分直接形成由陶瓷材料构成的绝缘层而构成所述带绝缘层金属块，并且将所述带绝缘层金属块以形成于所述阶梯部的底面的绝缘层与所述带凸檐贯通孔的凸檐抵接的方式嵌合并固定于所述金属板的所述带凸檐贯通孔内。
17.根据权利要求15或16所述的功率半导体模块的制造方法，其特征在于，
所述绝缘层通过使用等离子喷涂法、气溶胶沉积法和溅射法中的任一种方法使由选自填料组中的至少一种材料构成的陶瓷微粒沉积而形成，所述填料组由氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、氮化硼构成。
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