CN110164828A - 功率模块、半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供可靠性高的功率模块和半导体装置，在该功率模块和半导体装置中，以使得引线端子不会由于使用时的振动或装配时的接触而被折断的方式对基板、散热器、功率模块进行固定，并且能够解决由于基板翘曲等的应力而使树脂框体受到损伤的问题。本发明涉及的功率模块的特征在于，具备：树脂框体，其具有主体部和从该主体部凸出的凸出部；以及引线端子，其从该主体部延伸至外部。而且，形成有将该主体部和该凸出部贯穿的贯穿孔。

Description

功率模块、半导体装置
技术领域
本发明涉及功率模块和半导体装置。
背景技术
就较小容量电动机的逆变器驱动等所使用的功率模块而言，大多通过模塑树脂对IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)及二极管等半导体元件进行封装，具有DIP(Dual in line)端子排列或与其接近的排列的外部端子。在将如上述的功率模块安装于基板的情况下，要使得在安装中及安装后的使用中，不会由于基板的弯曲、变形等将应力施加于模塑树脂而产生裂纹等破损。具体而言，在通过端子部的恰当高度处设置的止动部而使功率模块的封装体底面从基板浮起的状态下，通过焊接等将功率模块固定于基板。由此，端子如弹簧那样起作用而缓和应力。
另外，上述的功率模块需要散热。通常，通过螺钉固定等将铝等金属制的外部散热器固定于功率模块的封装体，进行散热。根据功率模块的用途或搭载位置，有时基板本身大幅振动。例如，在将逆变器基板安装于洗衣机或各种泵的框体的情况等下，基板会振动。根据振动频率，有可能由于因共振等导致的过振动而使功率模块的端子折断。
除此之外，在将散热器安装于功率模块后，将该组装物安装于装置的框体的情况下，由于操作者对散热器进行推压或拉拽，因此有可能产生端子部的弯曲等。因此，根据搭载用途，存在希望使封装体和基板接触而牢固地固定散热器这样的市场需求。
在专利文献1中公开了使半导体装置的主体和PCB(PrintedCircuit Board)维持为预先规定的间隔的技术。
专利文献1：日本特开2004-179492号公报
作为用于使封装体和基板接触而牢固地固定散热器的方法，想到如下3种方法，但都存在课题。
(1)将为了使端子穿过而设置于基板的通孔的尺寸扩大为能够使设置于端子的止动部穿过，使封装体与基板接触，利用螺钉将基板、功率模块及散热器一起紧固。在该情况下，由于扩大了通孔，因此焊接变得困难，或由于从基板伸出的端子的长度变长而在端子间产生焊料桥。另外，由于将封装体贴合于基板，因此来自基板的过大的应力施加于封装体的端部，有可能发生破损。
(2)开发在端子不带有止动部的专用产品。在该情况下，由于提供具有止动部的功率模块和没有止动部的功率模块，因此担心产品线增加、生产效率降低及管理成本增加。另外，由于将封装体贴合于基板，因此来自基板的过大的应力施加于封装体的端部，有可能发生破损。
(3)依然使用止动部，但在封装体和基板之间插入间隔件，由此使封装体从基板浮起地固定于基板。作为间隔件，使用塑料等树脂。在该情况下，花费间隔件的部件费用和用于插入间隔件的工时而增加成本。例如，在专利文献1中公开了在基板和封装体主体之间插入间隔件。但是，没有提出间隔件的具体的构造。如果仅仅是设置有间隔件，则留有来自基板的过大的应力施加于封装体的端部这一问题。
如上所述，需要牢固地固定基板、散热器、功率模块以使得功率模块的端子不会由于使用时的振动或装配时的接触而被折断，但这样的话，存在由于基板翘曲等的应力而使封装体受到损伤的问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述那样的课题而提出的，其目的在于提供可靠性高的功率模块和半导体装置。
本发明涉及的功率模块的特征在于具备：树脂框体，其具有主体部和从该主体部凸出的凸出部；以及引线端子，其从该主体部延伸至外部，该功率模块形成有将该主体部和该凸出部贯穿的贯穿孔。
本发明涉及的半导体装置的特征在于具有：功率模块，其具有树脂框体以及引线端子，该树脂框体具有主体部和从该主体部凸出的凸出部，该引线端子从该主体部延伸至外部，该功率模块形成有将该主体部和该凸出部贯穿的贯穿孔；以及印刷基板，其形成有供该引线端子穿过的基板贯穿孔，该凸出部与该印刷基板接触。
本发明的其他特征将在以下阐明。
发明的效果
根据本发明，由于在树脂框体设置凸出部，使该凸出部与基板接触，因此能够得到可靠性高的功率模块及半导体装置。
附图说明
图1是实施方式1涉及的半导体装置的剖视图。
图2是功率模块的仰视图。
图3是变形例涉及的半导体装置的剖视图。
图4是其它变形例涉及的半导体装置的剖视图。
图5是图4的半导体装置的V-V′线处的剖视图。
图6是实施方式2涉及的半导体装置的侧视图。
图7是图6的功率模块的仰视图。
图8是表示连接部的俯视形状的变形例的图。
图9是其它变形例涉及的半导体装置的侧视图。
图10是表示在半导体装置追加了油脂(grease)的情况的图。
图11是实施方式3涉及的半导体装置的剖视图。
图12是图11的B-B′线处的剖视图。
图13是表示鳍片的变形例的图。
图14是实施方式4涉及的半导体装置的剖视图。
图15是图14的B-B′线处的剖视图。
图16是变形例涉及的半导体装置的剖视图。
标号的说明
10半导体装置，11功率模块，12树脂框体，12a主体部，12b凸出部。
具体实施方式
参照附图对实施方式涉及的功率模块及半导体装置进行说明。对相同或对应的结构要素标注相同标号，有时省略重复的说明。
实施方式1.
图1是实施方式1涉及的半导体装置10的剖视图。半导体装置10具备功率模块11。功率模块11在内部具有IGBT及二极管等半导体元件。半导体元件被树脂框体12覆盖。树脂框体12具备主体部12a和凸出部12b。主体部12a是覆盖半导体元件的部分。凸出部12b是从主体部12a凸出的部分。树脂框体12是功率模块11的封装体。引线端子14从主体部12a延伸至外部。该引线端子14与主体部12a的内部的半导体元件电连接。
凸出部12b与印刷基板16接触。具体而言，凸出部12b的底面为例如平坦面。使该平坦面与印刷基板16接触。在印刷基板16形成有供引线端子14穿过的基板贯穿孔16a。在基板贯穿孔16a设置有引线端子14的状态下将两者通过焊料或导电性粘接剂等粘接剂进行连接。由此，将引线端子14和在印刷基板16形成的电路图案连接。
在树脂框体12形成有将主体部12a和凸出部12b贯穿的贯穿孔12c。在该贯穿孔12c的上侧具有散热器30，在下侧具有印刷基板16。散热器30安装于树脂框体12的形成有凸出部12b的面的相反面即上表面12d。通过使螺钉18的轴部18b穿过垫圈20、印刷基板16及贯穿孔12c而螺纹紧固于散热器30，从而能够使上表面12d和散热器30紧贴，使凸出部12b和印刷基板16紧贴。能够省略螺钉18的头部18a和印刷基板16之间的垫圈20。
图2是功率模块11的仰视图。凸出部12b设置有2个。凸出部12b将贯穿孔12c包围。俯视观察时的凸出部12b的面积为能够稳定地承受从螺钉18施加的力的程度即可，例如能够设为与垫圈20的面积相同的程度。能够在凸出部12b的底面与印刷基板16接触的状态下，通过螺纹紧固使凸出部12b和印刷基板16紧贴。只要是能够使凸出部12b与印刷基板16稳定地接触，则凸出部12b的俯视形状不特别限定，例如能够设为圆形、四边形或三角形。
根据实施方式1涉及的功率模块11和半导体装置10，由于使功率模块11的凸出部12b和印刷基板16接触，因此即使在例如产生振动的环境下也具有高可靠性。具体而言，能够确保与将树脂框体的主体部的整面贴合于印刷基板时等同的可靠性。
在根部被进行了弯曲加工的引线端子的一部分设置止动部，在通过该止动部设置功率模块和印刷基板的间隙的情况下，止动部的高度容易产生波动。相对于此，就实施方式1涉及的半导体装置而言，由于在通过例如模塑模具成型的树脂框体12设置了凸出部12b，因此通过对该凸出部12b的高度进行调整，能够容易地对主体部12a和印刷基板16之间的距离进行管理。由此，能够提高将安装散热器30后的组装物向壳体等组装时的精度，或者通过引线端子14从基板贯穿孔16a伸出的长度的精度提高，从而使焊接性提高。并且，由于凸出部12b和印刷基板16的接触面积小于将主体部12a贴合于印刷基板16的情况下的接触面积，因此能够缓和从印刷基板16施加于功率模块11的应力。
图3是变形例涉及的半导体装置的剖视图。凸出部12b的侧面和作为凸出部12b的底面的平坦面以曲面进行连接。换言之，使得凸出部12b的平坦面的角的形状具有R圆角，或以使该角不与印刷基板16接触的方式进行倒角。即使是图1的凸出部12b的形状，由于凸出部12b和印刷基板16的接触面积小，因此在印刷基板16翘曲等时也会缓和向功率模块11施加的应力。但是，如果如图3所示地形成凸出部12b的角，则能够进一步降低上述的应力。此外，不需要对凸出部12b的侧面、曲面、平坦面进行区分，也可以将侧面和平坦面设为曲面。
图4是其它变形例涉及的半导体装置的剖视图。凸出部12b相对于主体部12a凸出大于或等于1.5～2mm。即，图4中的长度h1大于或等于1.5～2mm。图5是图4的半导体装置的V-V′线处的剖视图。如图4、5所示，在印刷基板16和主体部12a之间存在宽阔的空间。在该空间例如能够配置陶瓷电容器40及芯片电阻器42等高度低的表面安装部件。通过将表面安装部件固定于功率模块11的正下方的印刷基板16，从而与将表面安装部件设置于功率模块的正下方的外侧的情况相比，能够缩小印刷基板16的面积并降低成本。
实施方式1提及的变形也能够应用于以下实施方式涉及的功率模块和半导体装置。此外，由于下面的实施方式涉及的功率模块和半导体装置与实施方式1的共同点多，因此以与实施方式1的区别为中心进行说明。
实施方式2.
图6是实施方式2涉及的半导体装置的侧视图。凸出部12b设置有2个。树脂框体12具备连接部12e，该连接部12e从主体部12a凸出，将2个凸出部12b连接。能够将连接部12e的从主体部12a的凸出量设为与凸出部12b的从主体部12a的凸出量相同的程度。图7是图6的功率模块11的仰视图。例如，通过将连接部12e的宽度设为与凸出部12b的宽度相同的程度，使得连接部12e的面积不会过大。
例如，在功率模块的外形细长的情况下，如果将功率模块11在两处螺纹紧固于印刷基板16，则有可能功率模块11的中央部振动而共振，树脂框体12破损。因此，在实施方式2中，在该中央部设置连接部12e，使该中央部具有厚度。由此，对于由振动产生的振幅的至少单侧，连接部12e成为止动部而得到抑制，能够进行保护而免于破损。另外，通过使中央部变厚，从而使树脂框体12的刚性提高，功率模块11变得难以振动。
图8是表示连接部的俯视形状的变形例的图。连接部12f在俯视观察时是以向内侧描绘出曲线的方式凹陷的形状。即，将连接部12f的侧面设为曲面。通过使在2个凸出部12b之间设置的连接部12f向内侧凹陷，从而能够在维持提高对振动的耐受性的效果的同时，缓和由于印刷基板16的弯曲等而施加于连接部12f的应力中的向与连接2个贯穿孔12c的线垂直的方向作用的应力。这样的效果并不限于将连接部的侧面设为曲面的情况，通过将连接部的宽度设为在俯视观察时越远离凸出部12b则越小，就能够得到上述效果。并且，如果将连接部的侧面和底面以曲面进行连接，则能够避免由于连接部的角与印刷基板16接触而导致的对功率模块11的损伤。优选在凸出部12b和连接部12e、12f这两者去除角，即，使角部具有R倒角或进行倒角。
图9是其它变形例涉及的半导体装置的侧视图。凸出部12b的相对于主体部12a的凸出量大于连接部12e的相对于主体部12a的凸出量。其结果，两者的凸出量之间产生长度h2的差异。凸出部12b与印刷基板16接触，但连接部12e不与印刷基板16接触。这样，与图6的结构相比，振动的振幅稍微增加，但能够得到振幅的抑制效果。另外，由于印刷基板16的翘曲等产生的应力不会作用于连接部12e，仅作用于凸出部12b，能够与实施方式1的结构相同地降低功率模块11承受的应力。
图10是表示在图9的半导体装置追加了油脂的情况的图。在连接部12e的底面提供有油脂50。油脂50只要是具有适当的粘性的材料即可，没有特别限定。油脂50的材料能够设为例如硅酮脂等具有粘接性或弹性的材料。在功率模块11向远离印刷基板16的方向振动的情况下，通过油脂50的粘性对功率模块11的移动进行限制。其结果，能够对振动的振幅进行限制，防止由振动或共振导致的树脂框体12的破损。此外，也可以在不具有连接部12e的结构中，在主体部12a和印刷基板16之间设置油脂50。
实施方式3.
图11是实施方式3涉及的半导体装置的剖视图。树脂框体12具备鳍片12g，该鳍片12g从主体部12a向与凸出部12b相同的方向凸出。鳍片12g为薄的平板。鳍片12g能够在2个凸出部12b之间设置多个。图12是图11的B-B′线处的剖视图。能够将鳍片12g的宽度设为与主体部12a的宽度相同的程度。根据实施方式3涉及的半导体装置，不仅从散热器30侧，还能够从树脂框体12的表面散热。
图13是表示鳍片的变形例的图。鳍片12h的底面为曲面。鳍片12h设置于2个凸出部之间，鳍片12h的从主体部12a的凸出量能够设为在将2个凸出部连接的线上最大。在图13中，没有示出2个凸出部12b，但利用虚线示出将2个凸出部12b连接的线。此外，将2个凸出部12b连接的线也能改称为将2个贯穿孔12c连接的线，但两者为相同含义。
鳍片12h的高度越远离图13的虚线则越低。如果将鳍片12h的底面设为曲面，则与图11、12所示的鳍片12g相比，鳍片的表面积减小，但能够不易受到由于印刷基板16的翘曲等而向与将2个贯穿孔12c连接的线垂直的方向作用的应力的影响。此外，也可以如上所述将鳍片12h的底面设为曲面，并且为了使树脂框体12和印刷基板16的接触稳定而将凸出部12b的底面设为平坦面。
实施方式4.
图14是实施方式4涉及的半导体装置的剖视图。树脂框体12具备多个块体12i，该多个块体12i从主体部12a向与凸出部12b相同的方向凸出。例如，可以将块体12i以针脚(pinholder)状设置多个。图15是图14的B-B′线处的剖视图。多个块体12i能够在图14的纸面近端及进深方向上设置多个。通过设置多个块体12i，从而能够使散热面积增加，提高散热效果。
块体12i的底面形状并不特别限定，可以设为四边形、三角形或圆形等。但是，通过将多个块体12i的底面设为曲面，能够抑制由于印刷基板16的翘曲等而对功率模块11施加大的应力的问题。
图16是变形例涉及的半导体装置的剖视图。该半导体装置具有2个以上叙述过的凸出部12b，多个块体12k的从主体部12a的凸出量在将2个凸出部12b连接的线上最大。换言之，块体12k的高度在将2个贯穿孔12c连接的线上最高，越远离该线则越低。能够将凸出部12b的底面设为平坦面。如果将块体12k的高度如上所述设为不均匀，则能够更加不易受到由印刷基板16的翘曲等导致的应力的影响。
上述各实施方式涉及的功率模块及半导体装置能够用于例如搭载于工业设备或民用设备的电动机控制。以上说明的各实施方式涉及的特征也可以组合而使用。

Claims (22)

1.一种功率模块，其特征在于，具备：
树脂框体，其具有主体部和从所述主体部凸出的凸出部；以及
引线端子，其从所述主体部延伸至外部，
该功率模块形成有将所述主体部和所述凸出部贯穿的贯穿孔。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，
所述凸出部的底面为平坦面。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，
所述凸出部的侧面和所述平坦面以曲面进行连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述凸出部相对于所述主体部凸出大于或等于1.5～2mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率模块，其特征在于，
具有2个所述凸出部，
所述树脂框体具备连接部，该连接部从所述主体部凸出，将2个所述凸出部连接。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，
所述连接部的宽度在俯视观察时越远离所述凸出部则越小。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，
将所述连接部的侧面设为曲面。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的功率模块，其特征在于，
将所述连接部的侧面和底面以曲面进行连接。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述凸出部的相对于所述主体部的凸出量大于所述连接部的相对于所述主体部的凸出量。
10.根据权利要求9所述的功率模块，其特征在于，
具备涂敷于所述连接部的底面的油脂。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述树脂框体具备鳍片，该鳍片从所述主体部向与所述凸出部相同的方向凸出。
12.根据权利要求11所述的功率模块，其特征在于，
所述鳍片的底面为曲面。
13.根据权利要求12所述的功率模块，其特征在于，
具有2个所述凸出部，所述鳍片设置于2个所述凸出部之间，所述鳍片的从所述主体部的凸出量在将2个所述凸出部连接的线上最大。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的功率模块，其特征在于，
所述树脂框体具备多个块体，该多个块体从所述主体部向与所述凸出部相同的方向凸出。
15.根据权利要求14所述的功率模块，其特征在于，
所述多个块体的底面为曲面。
16.根据权利要求14所述的功率模块，其特征在于，
具有2个所述凸出部，所述多个块体的从所述主体部的凸出量在将2个所述凸出部连接的线上最大。
17.一种半导体装置，其特征在于，具备：
功率模块，其具有树脂框体以及引线端子，该树脂框体具有主体部和从所述主体部凸出的凸出部，该引线端子从所述主体部延伸至外部，该功率模块形成有将所述主体部和所述凸出部贯穿的贯穿孔；以及
印刷基板，其形成有供所述引线端子穿过的基板贯穿孔，
所述凸出部与所述印刷基板接触。
18.根据权利要求17所述的半导体装置，其特征在于，
具备螺钉，该螺钉穿过所述贯穿孔，使所述凸出部和所述印刷基板紧贴。
19.根据权利要求17或18所述的半导体装置，其特征在于，
所述凸出部的底面与所述印刷基板接触，
所述凸出部的侧面和所述底面以曲面进行连接。
20.根据权利要求18所述的半导体装置，其特征在于，
具备散热器，该散热器安装于所述树脂框体的与形成有所述凸出部的面相反的面即上表面，
通过将所述螺钉螺纹紧固于所述散热器，从而使所述上表面和所述散热器紧贴，使所述凸出部和所述印刷基板紧贴。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
具备表面安装部件，该表面安装部件固定于所述功率模块的正下方的所述印刷基板。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
具备油脂，该油脂设置于所述主体部和所述印刷基板之间。
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