CN111162060A - 功率半导体模块、流路部件及功率半导体模块结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率半导体模块具备：金属基底板，其具备第一面和第二面；冷却壳体，其具有底壁和形成于上述底壁的周围的侧壁，上述侧壁的一端接合到上述金属基底板的第二面，在被上述金属基底板、上述底壁和上述侧壁围起来的空间内能够使冷却液流通，上述冷却壳体连接到上述底壁和上述底壁中的任一个，并且具有沿着上述金属基底板的第二面的周边配置的冷却液的入口部和出口部，具备配置于上述入口部的导入口侧的第一凸缘和配置于上述出口部的排出口侧的第二凸缘。

Description

功率半导体模块、流路部件及功率半导体模块结构体
本申请是申请日为2016年6月16日、申请号为201680003922.5、发明名称为“功率半导体模块、流路部件及功率半导体模块结构体”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及具备使用于冷却半导体元件的冷却液循环流通的冷却器的功率半导体模块、组合于该功率半导体模块的流路部件及功率半导体模块结构体。
背景技术
为了使以混合动力汽车和电动汽车等为代表的使用马达的设备节能而利用电力转换装置。该电力转换装置广泛利用功率半导体模块。该功率半导体模块为了控制大电流，具备功率半导体元件。
功率半导体元件，在控制大电流时的发热量较大。另外，有要求功率半导体模块的小型化和轻量化，输出密度上升的趋势，因此在具备多个功率半导体元件的功率半导体模块中，其冷却方法决定电力转换效率。
为了提高功率半导体模块的冷却效率，有具备液冷式的冷却体，利用该冷却体将功率半导体元件的发热冷却的功率半导体模块。该功率半导体模块的冷却体具有如下结构，具备：传导功率半导体元件的发热的金属基底板；接合到金属基底板的背面的散热片；以及接合到金属基底板，且收纳散热片的冷却壳体，能够使冷却液通过形成于冷却壳体的导入口和排出口流通到冷却壳体内的空间(专利文献1)。在导入口和排出口，例如安装有螺纹接管，分别连接有外部管道或外部软管。
混合动力汽车、电动汽车的功率半导体模块的安装空间受到限制。因此，有时难以进行功率半导体模块的安装以及外部管道向冷却壳体的导入口和排出口的安装。另外，需要单独进行功率半导体模块的安装作业以及外部管道向冷却壳体的导入口和排出口的安装作业，作业花费时间。
针对功率半导体模块的冷却部件，为了使与追加的冷却部件或终端板的连接变得容易，有时在入口通路、出口通路包括连接板(专利文献2)。但是，由于该冷却部件在具有安装半导体模块的顶表面的塑料基座的侧面设置有入口通路、出口通路，所以安装了冷却部件的半导体模块的体积变大。另外，由于冷却部件的连接板不与外部管道连接，所以外部管道的安装不容易。此外，也存在需要单独进行功率半导体模块向混合动力汽车、电动汽车等的安装作业以及外部管道向冷却部件的入口通路和出口通路的安装作业的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-64609号公报
专利文献2：日本特表2013-513240号公报
发明内容
技术问题
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够容易地进行功率半导体模块与冷却体的导入口和排出口的连接，还能够容易地进行功率半导体模块的安装作业的功率半导体模块、组合于该功率半导体模块的流路部件及功率半导体模块结构体。
技术方案
作为用于实现上述目的的本发明的实施方式，提供以下的功率半导体模块。
功率半导体模块具备：金属基底板，其具备第一面和第二面；层叠基板，其接合到上述第一面，具备第三面和第四面；半导体元件，其搭载于上述第三面；树脂壳体，其配置于上述金属基底板的第一面侧，包围上述层叠基板和上述半导体元件；以及冷却壳体。冷却壳体具有底壁和形成于上述底壁的周围的侧壁，上述侧壁的一端接合到上述金属基底板的第二面侧，在被上述金属基底板、上述底壁和上述侧壁围起来的空间内能够使冷却液流通。上述冷却壳体连接到上述底壁和上述侧壁中的任一个，并且具有沿着上述金属基底板的第二面的周边配置的冷却液的入口部和出口部，具备配置于上述入口部的导入口侧的第一凸缘和配置于上述出口部的排出口侧的第二凸缘。
作为用于实现上述目的的本发明的其它实施方式，提供以下的流路部件。
所述流路部件组合于上述功率半导体模块。上述功率半导体模块具有金属基底板；以及冷却壳体，其具有底壁和形成于上述底壁的周围的侧壁，上述侧壁的一端接合到上述金属基底板的背面，在被上述金属基底板、上述底壁和上述侧壁围起来的空间内能够使冷却液流通。此外，上述冷却壳体连接到上述底壁和上述侧壁中的任一个，并且具有沿着上述金属基底板的背面的周边配置的冷却液的入口部和出口部，具备配置于上述入口部的导入口侧的第一凸缘和配置于上述出口部的排出口侧的第二凸缘。上述流路部件具备能够与上述第一凸缘连接的第一连接部、能够与上述第二凸缘连接的第二连接部、与上述第一连接部连接且可供上述冷却液流通的第一流路以及与上述第二连接部连接且可供上述冷却液流通的第二流路，能够与上述冷却壳体的底面对置配置。
组合了上述功率半导体模块与上述流路部件的本发明的功率半导体模块结构体具有以下的方式。
其是组合上述功率半导体模块与上述流路部件而成的功率半导体模块结构体。
发明效果
根据本发明的功率半导体模块，能够容易地进行功率半导体模块向冷却体的导入口和排出口的连接，还能够容易地进行功率半导体模块的安装作业。
附图说明
图1是表示本发明的功率半导体模块的一个实施方式的外观的立体图。
图2是从背面观察图1的功率半导体模块而得到的立体图。
图3是图1的功率半导体模块的分解立体图。
图4是图1的IV-IV线的截面图。
图5是图1的功率半导体模块的俯视图。
图6是图1的功率半导体模块的逆变电路的电路图。
图7是本发明的流路部件的一个实施方式的立体图。
图8是本发明的功率半导体模块结构体的一个实施方式的正视图。
图9是图8的功率半导体模块结构体的局部放大图。
图10A是从上方观察本发明的功率半导体模块的另一实施方式的外观而得到的立体图。
图10B是从背面侧观察本发明的功率半导体模块的另一实施方式的外观而得到的立体图。
图11A是从上方观察现有的功率半导体模块的外观而得到的立体图。
图11B是从背面侧观察现有的功率半导体模块的外观而得到的立体图。
图12是本发明的功率半导体模块的一个实施方式的俯视图。
图13是图12的功率半导体模块的逆变电路的电路图。
图14是本发明的功率半导体模块的一个实施方式的俯视图。
图15是表示峰值电压的测量结果的图表。
图16是表示峰值电压的测量结果的图表。
符号说明
1、2：功率半导体模块
11：树脂壳体
11a：通孔
12：金属基底板
13、23：冷却壳体
13a、23a：底壁
13b、23b：侧壁
13c、23c：入口部
13d、23d：出口部
13e、23e：导入口
13f、23f：排出口
13g1、23g1：凸缘(第一凸缘)
13g2、23g2：凸缘(第二凸缘)
13eg、23eg：开口部(第一开口部)
13fg、23fg：开口部(第二开口部)
13h、23h：螺栓孔
14D、14E：外部端子
15：绝缘基板
16：半导体芯片(半导体元件)
17：散热片
25：薄膜电容器
31：流路部件
具体实施方式
使用附图具体说明本发明的功率半导体模块的实施方式。表示在以下的说明中出现的“上”、“下”、“底”、“前”、“后”等方向的用语参照附图的方向使用。
(实施方式1)
图1是表示本发明的功率半导体模块的一实施方式的外观的立体图。图2是从背面侧观察图1的功率半导体模块而得到的立体图。图1和图2所示的功率半导体模块1是构成逆变电路的6in1型的功率半导体模块。功率半导体模块1具备：金属基底板12；收纳半导体芯片16，且底面粘接到金属基底板12的正面的树脂壳体11；以及接合到金属基底板12的背面的冷却壳体13。
外部端子14A～14E从树脂壳体11的内部沿着树脂壳体11的上表面的周边突出。另外，在树脂壳体11形成有贯通其厚度方向的通孔11a。对于通孔11a，在树脂壳体11的上表面的长度方向边缘部的两端附近，以及在其两端之间隔开间隔的两个位置总计形成有8个。在这些通孔11a中，在树脂壳体11的长边侧一端部，在靠近长度方向的中央形成的2个通孔11a是能够与形成于后述的冷却壳体13的凸缘13g1的第一螺栓孔相通的第一通孔。另外，在树脂壳体11的长边侧另一端部，在靠近长度方向的中央形成的2个通孔11a是能够与形成于后述的冷却壳体13的凸缘13g2的第二螺栓孔相通的第二通孔。
金属基底板12是具有正面，即第一面和与正面对置的背面，即第二面的长方形的板。金属基底板12与树脂壳体11为大致相同的大小。如图2所示，在金属基底板12形成有贯通其厚度方向的螺栓孔12a。该螺栓孔12a以与形成于树脂壳体11的通孔11a相同的间隔形成，配置在与通孔11a相同的位置。
接合到金属基底板12的背面的冷却壳体1具有底壁13a和形成于底壁13a的周围的侧壁13b，上端侧开口。通过例如钎焊将冷却壳体13的上端接合到金属基底板12，从而形成被金属基底板12和冷却壳体13围起来的内部空间。如图3所示，在该内部空间配置有作为散热片的散热片17。由金属基底板12、冷却壳体13和散热片17构成半导体芯片16的冷却体。另外，散热片17不限于如图所示的薄板形状，也可以是销状。冷却壳体13的内部空间能够使从外部供给的冷却液流通。
冷却壳体13在长度方向边缘部的中央具有冷却液的入口部13c和出口部13d。入口部13c和出口部13d与冷却壳体13的侧壁连接，并且沿着金属基底板12的背面的周边配置。入口部13c在其底面具有导入口13e，出口部13d在其底面具有排出口13f。这些底面配置在与金属基底板12相反的一侧。通过分别在入口部13c的底面形成导入口13e，在出口部13d的底面形成排出口13f，从而与形成在侧面的情况相比，能够抑制构成冷却体的冷却壳体13的高度，因此优选用于要求小型化、轻薄化、轻量化的车载用的功率半导体模块。入口部13c和出口部13d可以以与冷却壳体13的底壁连接的方式配置。
冷却壳体13在入口部13c的导入口13e侧具备作为第一凸缘的凸缘13g1。另外，冷却壳体13在出口部13d的排出口13f侧具备作为第二凸缘的凸缘13g2。凸缘13g1、13g2是大致呈椭圆形的板，其长轴方向以沿着金属基底板的长边方向延伸的方式配置。凸缘13g1、13g2可以是大致呈菱形的板。凸缘13g1、13g2例如可以通过夹设由钎料和铝材的复合材料构成的垫片，利用钎焊接合在导入口13e和排出口13f的周围。除了垫片以外，还可以利用粘接固定凸缘13g1、13g2。凸缘13g1、13g2采用相对于螺栓紧固具有足够的强度的材料、结构。凸缘13g1、13g2在远离金属基底板12的一侧具备主面。凸缘13g1、13g2的各个主面可以与金属基底板12的正面平行，也可以是平面。另外，凸缘13g1与凸缘13g2可以将冷却壳体13夹在中间，配置于相互相反侧的位置。
凸缘13g1具备以与导入口13e对置的方式配置的作为第一开口部的开口部13eg。凸缘13g2具备以与排出口13f对置的方式配置的作为第二开口部的开口部13fg。此外，在凸缘13g1形成有2个隔着开口部13eg配置且作为一组第一螺栓孔的螺栓孔13h。在凸缘13g2形成有2个隔着开口部13fg配置且作为一组第二螺栓孔的螺栓孔13h。这些螺栓孔13h以与形成于金属基底板12的螺栓孔12a相同的间隔形成，且配置在与螺栓孔12a相同的位置。这些螺栓孔13h兼作用于将功率半导体模块1安装于流路部件31(参照图7)的螺栓孔以及用于将功率半导体模块的导入口和排出口连接到流路部件31的流路的螺栓孔。凸缘13g1、13g2可以分别具备一组以上的螺栓孔13h。
优选地，连结与入口部13c接合的凸缘13g1的一组螺栓孔间的线段与连结与出口部13d接合的凸缘13g2的一组螺栓孔间的线段几乎平行。在图示的本实施方式中，由于该线段沿着金属基底板的长边方向延伸，所以几乎平行。凸缘13g1和凸缘13g2可以以夹着冷却壳体13的4个侧壁13b中的2个对置的侧壁13b的方式配置。
在图3中示出功率半导体模块1的分解立体图。树脂壳体11由PPS树脂、聚氨酯树脂等绝缘性树脂构成，具有在中央具备从上表面贯通到底面的开口的框形状。利用嵌件成型等在树脂壳体11一体地安装有外部端子14A～14E。通孔11a可以在嵌件成型时形成。
金属基底板12具有成为与树脂壳体11大致相同大小的长方形的正面和背面。金属基底板12由导热性良好的金属，例如铝或铝合金，或者这些金属与钎料的复合材料(Cladmaterial)构成。作为层叠基板的具体例的绝缘基板15的背面，即第四面通过接合材料，例如焊料、钎料、烧结材料接合于金属基底板12的正面。
在图示的本实施方式中，3个绝缘基板15在金属基底板12的短边方向的中央沿着长度方向配置成一列。各绝缘基板15，在一个绝缘基板15的正面，即第三面上搭载有4个半导体芯片16。图示的本实施方式的半导体芯片16均是将IGBT和FWD单芯片化的反向导通IGBT(RC-IGBT)的例子。在1个绝缘基板15上，电并联连接的2个1组总计2组的半导体芯片形成构成逆变电路的一相中的上臂和下臂。上臂由并联连接的作为第一半导体元件的2个半导体芯片16A构成。下臂由并联连接的作为第二半导体元件的2个半导体芯片16B构成。并且，金属基底板12的3个绝缘基板15构成逆变电路的U相、V相和W相。在U相的半导体芯片16电连接一组外部端子14A、14D、14E。在V相的半导体芯片16电连接一组外部端子14B、14D、14E。另外，在W相的半导体芯片16电连接一组外部端子14C、14D、14E。在外部端子14A、14B之间可以配置有通孔11a。在外部端子14B、14C之间可以配置有通孔11a。这些通孔11a与凸缘13g2的一组螺栓孔13h相对。另外，在U相用的外部端子14D、14E与V相用的外部端子14D、14E之间可以配置有通孔11a。在V相用的外部端子14D、14E与W相用的外部端子14D、14E之间可以配置有通孔11a。这些通孔11a与凸缘13g1的一组螺栓孔13h相对。
如果使冷却壳体13的材料与金属基底板12相同，则可以使两者的热膨胀系数相同，因此优选。在被底壁13a和侧壁13b围起来的大致长方体的空间收纳有作为散热片的散热片17。在图3所示的例子中，散热片17呈薄板形状，多个散热片17以沿着冷却壳体13的短边方向分别隔开间隔的方式配置。各散热片17的上端通过钎焊接合于金属基底板12的背面。这样，由半导体芯片16产生的热经过绝缘基板15和金属基底板12传导到散热片17。
在冷却壳体13内的空间中，在入口部13c与散热片之间形成有从外部通过导入口13e导入的冷却液的流路13i。另外，在出口部13d与散热片17之间形成有用于使在散热片间的间隙流动的冷却液向排出口13f排出的流路13j。
通过使薄板形状的散热片17沿着冷却壳体13的短边方向配置，从而从入口部13c供给的冷却水通过流路13i在散热片17的间隙流动，通过流路13j而从出口部13d的排出口13f排出。
在图4中示出图1的IV-IV线的截面图。绝缘基板15通过使陶瓷绝缘板15a、选择性地形成于该陶瓷绝缘板15a的正面的由铜箔等构成的电路板15b以及形成于该陶瓷绝缘板15a的背面的由铜箔等构成的金属板15c贴合而成。电路板15b与半导体芯片16的接合，例如通过作为接合材料的焊料18进行。金属板15c与金属基底板12的接合，例如通过作为接合材料的焊料18进行。接合材料可以使用钎料、烧结材料。为了提高绝缘性，树脂壳体11内的绝缘基板15和半导体芯片16利用由环氧树脂等绝缘性树脂或有机硅等绝缘性凝胶构成的密封材料密封。应予说明，在图4中，对形成于半导体芯片16的表面的与电极电连接的键合线等省略图示。另外，在图4中，对注入到树脂壳体11的框内的密封材料和安装于树脂壳体11的上表面的盖也省略图示。
在图5中示出图1的功率半导体模块1的俯视图。应予说明，为了容易理解，在该平面图中，未图示盖、密封材料和键合线，而示出可以看见配置于树脂壳体11内的绝缘基板15和半导体芯片16的状态。功率半导体模块1如上所述，是构成逆变电路的6in1型的功率半导体模块。将该逆变电路示于图6。接合于1个绝缘基板15的4个半导体芯片16如上所述，构成一相中的上臂和下臂。更具体而言，在图5中，沿着金属基底板12的短边方向配置的2个半导体芯片16A以及2个半导体芯片16B分别构成上臂以及下臂。与上臂对应的2个半导体芯片16A沿着在散热片17间流动的冷却液的移动方向配置在金属基底板12的正下方。与下臂对应的2个半导体芯片16B也同样地沿着冷却液的移动方向配置。由此，能够使构成上臂的半导体芯片16A与构成下臂的半导体芯片16B的冷却效率均等。
由于本实施方式的功率半导体模块1在冷却壳体13的入口部13c和出口部13d分别具备凸缘13g1、13g2，所以可以在不使用管道的情况下与具备外部的流路的部件，即流路部件31连接。因此，即使是安装空间受到限制的车载用的功率半导体模块，也能够容易地进行功率半导体模块的安装。另外，由于不使用管道、软管，所以不必为了处理管道、软管而对连接部和冷却体施加应力，能够防止可靠性降低。
在凸缘13g1，由2个隔着与导入口13e连接的开口部13eg配置的螺栓孔13h形成一组螺栓孔13h。在凸缘13g2，也由2个隔着与排出口13f连接的开口部13fg配置的螺栓孔13h形成一组螺栓孔13h。这些螺栓孔13h以与树脂壳体11的通孔11a和金属基底板12的螺栓孔12a相同的间隔配置于相同的位置。螺栓孔13h、通孔11a和螺栓孔12a可以以螺栓能够从功率半导体模块1的上表面在厚度方向上贯通底面的方式配置。优选地，可以以螺栓孔13h、通孔11a和螺栓孔12a的各个轴成为同轴的方式配置3个孔。各个孔的截面形状为圆形、长圆形、椭圆形等，优选为圆形。
这样，通过配置螺栓孔13h、通孔11a和螺栓孔12a，从而可以利用螺栓将功率半导体模块紧固固定于流路部件31，并且能够将导入口13e和排出口13f连接到流路部件31的流路，因此能够减少安装作业的工时，另外还能够降低螺栓数。另外，能够提高安装功率半导体模块1时的刚性。此外，由于能够减少用于固定功率半导体模块1的区域和用于连接流路的区域的总计区域，所以能够使功率半导体模块1小型化。
通过凸缘13g1、13g2隔着与导入口13e连接的开口部13eg或与排出口13f连接的开口部13fg具备一组或一组以上的螺栓孔13h，从而用于将导入口13e和排出口13f与流路部件的流路连接的螺栓紧固力均等地作用于导入口13e和排出口13f附近，所以能够防止在导入口13e或排出口13f附近发生漏液。
在本实施方式中，凸缘13g1、13g2分别配置于入口部13c的底面侧和出口部13d的底面侧。这样，使冷却液从冷却壳体13的底面侧流通类型的功率半导体模块能够降低高度，因此对轻薄化有利。
在图示的本实施方式中，例示了分别在入口部13c的前端具备凸缘13g1，在出口部13d的前端具备凸缘13g2的例子，但也可以是不排除凸缘以外的部件，而具有类似凸缘的功能的附件。
(实施方式2)
使用图7说明实施方式1的安装有功率半导体模块1的流路部件31。图7是功率半导体模块1和流路部件31的立体图。部分示出截面。在图7中，功率半导体模块1可以与图1～图6所示的功率半导体模块1相同。因此，在图7中，针对功率半导体模块1及其部件标注与图1～图6相同的符号，以下省略重复的说明。
流路部件31在图7所示的本实施方式中为大致长方体，以与功率半导体模块1的冷却壳体13的底面对置的方式安装于其上表面。在流路部件31的上表面形成有与功率半导体模块1的凸缘13g1抵接的凸部31a1、与凸缘13g2抵接的凸部31a2、抵接到包含金属基底板12的螺栓孔12a的突起部的凸部31d。但是，这些凸部31a1、31a2、31d不一定必须在流路部件31的上表面。在平坦的流路部件31的上表面，可以将功率半导体模块1的凸缘13g1抵接的该部分作为第一连接部。同样，可以将平坦的流路部件31的上表面的，凸缘13g2抵接的部分作为第二连接部。另外，包含金属基底板12的螺栓孔12a的突起部可以抵接于平坦的流路部件31的上表面。此外，可以采用能够嵌合到与凸缘13g1、13g2和螺栓孔12a同轴连接的圆筒部件的形状的凹部来代替凸部31a1、31a2、31d。
在与凸缘13g1抵接的凸部31a1形成有形成在流路部件31的内部的冷却液的导入流路31f的开口31b1，经由凸缘13g1的开口部13eg与导入口13e连接。同样，在与凸缘13g2抵接的凸部31a2形成有冷却液的排出流路31g的开口31b2，经由凸缘13g2的开口部13fg与排出口13f连接。冷却液的导入流路31f、排出流路31g在流路部件31的内部可以任意配置。优选地，为了防止漏液，在凸缘13g1与凸部31a1之间以及凸缘13g2与凸部31a2之间配置O型环。另外，优选地，在凸部31a1、31a2的表面形成用于安装该O型环的槽。
在凸部31a1，用于紧固螺栓的2个一组的内螺纹孔31c以隔着开口31b1的方式形成。在凸部31a2，同样地2个一组的内螺纹孔31c以隔着开口31b2的方式配置。另外，在凸部31d形成有用于紧固螺栓的内螺纹孔31e。2个一组的凸部31d隔着凸部31a1而配置，内螺纹孔31c和内螺纹孔31e排列。同样，隔着凸部31a2配置有2个一组的凸部31d。这些内螺纹孔31c、31e以与功率半导体模块1的树脂壳体11的通孔11a、金属基底板12的螺栓孔12a和冷却壳体13的螺栓孔13h对置的方式配置。通过将贯通这些螺栓孔的螺栓的外螺纹与内螺纹孔螺纹结合，从而将功率半导体模块1固定于流路部件31，且使功率半导体模块1的导入口13e和排出口13f分别与流路部件31的导入流路31f的开口31b1和排出流路31g的开口31b2连接。
流路部件31在图7所示的例子中为大致长方体，但只要是能够安装功率半导体模块1的形状即可。另外，流路部件31不限于具有冷却液的导入流路31f、排出流路31g的独立的部件，例如也可以是汽车的发动机部件或用于冷却发动机的部件的一部分。
流路部件31通过与实施方式1的功率半导体模块1组合，从而能够在不使用管道的情况下安装功率半导体模块1，或者能够减少安装作业的工时。
(实施方式3)
使用图8和图9对由实施方式1的功率半导体模块1和实施方式2的流路部件31的组合构成的功率半导体模块结构体3进行说明。图8是功率半导体模块结构体3的正视图，图9是图8的IX部分的局部放大图。应予说明，在图8和图9中，对功率半导体模块1和流路部件31标注与图1～图7相同的符号，以下，省略重复的说明。
图8和图9所示的功率半导体模块结构体3，利用螺栓33紧固固定功率半导体模块1与实施方式2的流路部件31。如图9所示，在凸缘13g1与凸部31a1之间配置有O型环32，由此防止漏液。虽未图示，但在凸缘13g2与凸部31a2之间也配置有O型环32。优选地，对于O型环32，在凸部31a1、31a2的表面形成槽，并将O型环32收纳于该槽内。
通过使用本实施方式的功率半导体模块结构体3，从而能够在不使用管道的情况下安装功率半导体模块1，或者能够减少安装作业的工时。
(实施方式4)
使用图10A和图10B说明本发明的另一实施方式的功率半导体模块2。图10A是从斜上方观察功率半导体模块2而得到的立体图，图10B是从背面侧观察功率半导体模块2而得到的立体图。
图10A和图10B所示的功率半导体模块2与图1和图2所示的功率半导体模块1的不同之处在于，具有底壁23a和侧壁23b的冷却壳体23，其冷却液的入口部23c和出口部23d位于金属基底板12的对角的角部附近。在入口部23c的导入口23e和出口部23d的排出口23f的前端，分别具备凸缘23g1、23g2。凸缘23g1、23g2分别具备开口部23eg、23fg，还具备隔着开口部23eg配置的2个一组的螺栓孔23h以及隔着开口部23fg配置的2个一组的螺栓孔23h。凸缘23g1的一个螺栓孔23h以螺栓能够从功率半导体模块1的上表面向底面在厚度方向上贯通的方式相对于通孔11a和螺栓孔12a配置。凸缘23g2的一个螺栓孔23h也同样地配置。
由于本实施方式的功率半导体模块2与实施方式1的功率半导体模块1同样地在冷却壳体23的入口部23c的前端和出口部23d的前端具备凸缘23g1、23g2，所以能够在不使用管道等的情况下与适合于功率半导体模块2的入口部23c的前端和出口部23d的位置的流路部件连接。因此，即使是安装空间受到限制的车载用的功率半导体模块，也能够容易地进行功率半导体模块的安装。
根据本实施方式的功率半导体模块2和实施方式1的功率半导体模块1可以理解，本发明的功率半导体模块的具有凸缘的冷却壳体的入口部和出口部的位置没有特别限定。
(比较例)
为了比较，将现有的功率半导体模块100示于图11A和图11B。图11A是从上方观察功率半导体模块100的外观而得到的立体图，图11B是从背面观察功率半导体模块100的外观而得到的立体图。
现有的功率半导体模块100，在冷却体113安装有导入侧的管道114和排出侧的管道115。具备这样的管道114和管道115的功率半导体模块100有时难以进行其安装作业和软管向管道114和管道115的安装作业。另外，由于功率半导体模块100的安装作业和软管向管道114和管道115的安装作业单独进行，所以作业花费时间。
通过图11A和图11B所示的现有的功率半导体模块100与上述的本发明的实施方式1、实施方式4的功率半导体模块1、2的对比，本发明的效果变得明显。
(实施方式5)
图12为功率半导体模块4的俯视图。应予说明，为了容易理解，在该俯视图未图示盖和密封材料，而示出能够看见配置于树脂壳体11内的绝缘基板15和半导体芯片16A1、16A2、16B1、16B2的状态。树脂壳体11的下方的结构可以与图1～图3所示的功率半导体模块1同样地具备金属基底板12和冷却壳体13。具体而言，在树脂壳体11的底面粘接有金属基底板12的正面，在金属基底板12的背面接合有冷却壳体13。可以采用配置于冷却壳体13的散热片为薄板形状，多个散热片沿着冷却壳体13的短边方向分别隔开间隔而配置的结构。
树脂壳体11由PPS树脂、聚氨酯树脂等绝缘性树脂构成，具备在中央具有从上表面贯通到相反侧的底面的开口的框形状。在此，上表面是纸面前方侧，底面是纸面进深侧。这与图1～图3所示的功率半导体模块1相同。外部端子14A、14B、14C、141D、141E、142D、142E、143D和143E通过嵌件成型等一体地安装于树脂壳体11。外部端子14A为U端子，外部端子14B为V端子，外部端子14C为W端子，外部端子141D、142D和143D为正端子(P端子)，外部端子141E、142E和143E为负端子(N端子)。
金属基底板12具有与树脂壳体11大致相同大小的长方形的正面和相反侧的背面。金属基底板12由导热性良好的金属，例如铝或铝合金，或者这些金属与钎料的复合材料(Clad material)构成。作为层叠基板的具体例的绝缘基板15的背面，即第四面通过接合材料，例如焊料、钎料、烧结材料接合于金属基底板12的正面。
绝缘基板15，在陶瓷绝缘板15a的下表面形成有金属板(省略图示)，在陶瓷绝缘板15a的上表面形成有电路板15ba、15bb、15bc、15bd、15be、15bf。此外，半导体芯片16A1、16A2分别经由焊料配置在电路板15bf上。另外，半导体芯片16B1、16B2分别经由焊料配置在电路板15bb上。
这样的绝缘基板15收纳于树脂壳体11的开口。在树脂壳体11的开口内露出的控制端子14F的一端的电极部14Fa、电路板15ba、15bc、15bd以及形成于半导体芯片16A1、16A2、16B1、16B2的正面的控制电极之间通过导线19连接。
另外，形成于电路板15bf上的半导体芯片16A1、16A2的正面的主电极与电路板15bb通过导线19连接。形成于电路板15bb上的半导体芯片16B1、16B2的正面的主电极与电路板15be通过导线19连接。
功率半导体模块4是构成逆变电路的6in1型的功率半导体模块。将该逆变电路的一个例子示于图13。
接合到1个绝缘基板15的4个半导体芯片16A1、16A2、16B1、16B2构成一相中的一组上臂Au和下臂Al，即腿(leg)。更具体而言，在图12中，沿着金属基底板12的短边方向配置的2个半导体芯片16A1和半导体芯片16A2形成构成逆变电路的一相，例如U相中的上臂Au，半导体芯片16B1和半导体芯片16B2分别构成下臂Al。与上臂Au对应的2个半导体芯片16A1和半导体芯片16A2沿着在散热片17间流动的冷却液的移动方向配置在金属基底板12的正下方。与下臂Al对应的2个半导体芯片16B1和半导体芯片16B2也同样地沿着冷却液的移动方向配置。由此，能够使构成上臂Au的半导体芯片16A1和半导体芯片16A2与构成臂Al的半导体芯片16B1和半导体芯片16B2的冷却效率均等。
在功率半导体模块4中，3个绝缘基板15沿着长度方向一列地配置于金属基底板12的短边方向的中央。各绝缘基板15，在一个绝缘基板15的正面，即第三面上搭载有4个半导体芯片16A1、16A216B1和16B2。图示的本实施方式的半导体芯片16A1、16A2、16B1和16B2均是将IGBT和FWD单芯片化的反向导通IGBT(RC-IGBT)的例子。在1个绝缘基板15上，电并联连接的2个1组的总计2组的半导体芯片形成构成逆变电路的一相中的上臂Au和下臂Al。上臂Au由在电路板15bf上并联连接的作为第一半导体元件的2个半导体芯片16A1和半导体芯片16A2构成。下臂Al由在电路板15bb上并联连接的作为第二半导体元件的2个半导体芯片16B1和半导体芯片16B2构成。并且，金属基底板的3个绝缘基板15构成逆变电路的U相、V相和W相。
U相、V相和W相分别具备由上臂Au和下臂Al构成的一组腿LU、LV、LW。腿LU、LV、LW分别包括绝缘基板15、构成上臂Au的第一半导体元件和构成下臂Al的第二半导体元件以及向第一半导体元件和第二半导体元件供给电源的电源端子。
区分说明U相、V相和W相中的特定的一相和与该特定的一相不同的一相，特定的一相具备由上臂和下臂构成的第一组(腿)，与该特定的一相不同的一相具备由上臂和下臂构成的第二组(腿)。在区分U相、V相和W相中的特定的一相，例如U相和与该特定的一相不同的一相，例如V相时，将第一腿的绝缘基板15称为第一层叠基板，将第二腿的绝缘基板15称为第二层叠基板。同样地，将搭载于第一层叠基板，构成上臂的半导体元件称为第一半导体元件，将构成下臂的半导体元件称为第二半导体元件。将搭载于第二层叠基板，构成上臂的半导体元件称为第三半导体元件，将构成下臂的半导体元件称为第四半导体元件。将向第一半导体元件和第二半导体元件供给电源的电源端子称为第一电源端子，将向第三半导体元件和第四半导体元件供给电源的电源端子称为第二电源端子。
本实施方式的功率半导体模块4具备由上臂和下臂构成的第一组以及由上臂和下臂构成的第二组。第一组至少包括作为层叠基板的第一层叠基板、作为半导体元件的构成上臂的第一半导体元件和构成下臂的第二半导体元件、以及向上述第一半导体元件和第二半导体元件供给电源的第一电源端子。第二组至少包括作为层叠基板的第二层叠基板、作为半导体元件的构成上臂的第三半导体元件和构成下臂的第四半导体元件、以及向第三半导体元件和第四半导体元件供给电源的第二电源端子。
更具体地进行说明，如图12所示，U相用腿的电源端子可以分别包含能够与外部电源的正极侧连接的正端子141D和能够与外部电源的负极侧连接的负端子141E。V相用腿的电源端子可以分别包含能够与外部电源的正极侧连接的正端子142D和能够与外部电源的负极侧连接的负端子142E。另外，W相用腿的电源端子可以分别包含能够与外部电源的正极侧连接的正端子143D和能够与外部电源的负极侧连接的负端子143E。
例如在将U相用腿LU作为第一腿，将V相用腿LV和W相用腿LW中的任一个，例如V相用腿LV作为第二腿时，正端子141D是第一正端子，负端子141E是第一负端子，正端子143D是第二正端子，负端子142E是第二负端子。
U相用正端子141D、V相用正端子142D和W相用正端子143D可以各不相同，相互独立且为相同的形状。另外，U相用负端子141E、V相用负端子142E和W相用负端子143E可以各不相同，相互独立且为相同的形状。U相用正端子141D、V相用正端子142D和W相用正端子143D可以为相同的尺寸，另外，U相用负端子141E、V相用负端子142E和W相用负端子143E可以为相同的尺寸。
U相用正端子141D具备躯体部141Db和腿部141Dl。V相用正端子142D具备躯体部142Db和腿部142Dl。W相用正端子143D具备躯体部143Db和腿部143Dl。在图12所示的例子中，腿部141Dl、142Dl、143Dl分别包括3根带状部件，带状部件与躯体部141Db、142Db、143Db连接。在各端子中，3根带状部件并联配置。
U相用负端子141E具备躯体部141Eb和腿部141El。V相用负端子142E具备躯体部142Eb和腿部142El。W相用负端子143E具备躯体部143Eb和腿部143El。在图12所示的例子中，腿部141El、142El、143El分别包括3根带状部件，带状部件与躯体部141Eb、142Eb、143Eb连接。在各端子中，3根带状部件并联配置。
U相用正端子141D的带状部件，即腿部141Dl的延伸方向与U相用负端子141E的带状部件，即腿部141El的延伸方向可以平行配置。V相用正端子142D的腿部142Dl的延伸方向与V相用负端子142E的腿部142El也同样地可以平行配置。W相用正端子143D的腿部143Dl的延伸方向与W相用负端子143E的腿部143El也同样地可以平行配置。此外，U相用正端子141D、V相用正端子142D和W相用正端子143D可以以腿部141Dl的延伸方向、腿部142Dl和腿部143Dl的延伸方向平行的方式配置。此外，U相用负端子141E、V相用负端子142E和W相用负端子143E可以以腿部141El的延伸方向、腿部142El和腿部143El的延伸方向平行的方式配置。
通过使电源端子的腿部的延伸方向分别平行，能够降低电感。
在腿LU、LV、LW的各个电源端子可以连接有电容器，例如薄膜电容器。在U相用正端子141D和负端子141E之间，V相用正端子142D和负端子142E之间，以及W相用正端子143D和负端子143E之间，可以分别连接有独立的薄膜电容器，也可以连接有共用的薄膜电容器。在图13所示的电路图中连接有共用的薄膜电容器25。
另外，对于图14中示出俯视图的功率半导体模块4，在U相用正端子141D和负端子141E之间设有薄膜电容器25A，在V相用正端子142D和负端子142E设有薄膜电容器25B，在W相用正端子143D和负端子143E之间设有薄膜电容器25C。图示的薄膜电容器25A、薄膜电容器25B和薄膜电容器25C是各自独立的薄膜电容器。薄膜电容器25A、薄膜电容器25B和薄膜电容器25C可以收纳到壳体等而成为一体。应予说明，图14的俯视图表示用密封材料密封图12所示的功率半导体模块4的树脂壳体11内部，用盖20覆盖树脂壳体11的开口的上端的方式。
电容器的容量，优选地，总计为100μF～3000μF，更优选地，总计为400μF～600μF。
本实施方式的功率半导体模块4通过各相的腿独立地具备由正端子和负端子构成的电源端子，从而与具备U相、V相和W相共用的一个正端子以及U相、V相和W相共用的一个负端子的现有的功率半导体模块相比，能够降低逆变器动作时产生的峰值电压。更具体而言，在具备三相逆变电路，且在正端子与负端子之间连接有平滑电容器的现有的功率半导体模块中，在特定的一相与另一相的关断时，峰值电压在正端子与负端子之间重叠而产生。与此相对，实施方式的功率半导体模块4通过将正端子与负端子的组各自独立地设置于各相，从而能够减小功率半导体模块4内部的各腿的正端子和负端子的长度，且能够使它们大致相等，且能够缩短从各腿的正端子和负端子到电容器的距离，因此能够与以往相比降低峰值电压。
图15是表示本实施方式的功率半导体模块4的峰值电压的测量结果的图表。图16是表示现有的功率半导体模块的峰值电压的测量结果的图表。通过对比图15和图16的图表，与在3相使用共用的电源端子的现有的模块相比，在U相的关断时产生的、在V相的电源端子产生的叠加的峰值电压(superimposed spike voltage)ΔVPVNV变小。在图示的例子中，即便使关断时的开关速度加快到现有模块的约1.5倍，ΔVPVNV也是现有的五分之一，约20V。
本实施方式的功率半导体模块4可以具备与实施方式1的功率半导体模块1同样的冷却器。因此，即使在用于安装空间受到限制的车载用途的情况下，也能够容易地进行功率半导体模块的安装。
以上，使用附图说明了本发明的功率半导体模块等的实施方式，但本发明的功率半导体模块等不限于各实施方式和附图的记载，在不脱离本发明的主旨的范围内当然可以进行各种变形。

Claims (28)

1.一种功率半导体模块，其特征在于，具备：
金属基底板，其具备第一面和第二面；
层叠基板，其接合到所述第一面，具备第三面和第四面；
半导体元件，其搭载于所述第三面；
树脂壳体，其配置于所述金属基底板的第一面侧，包围所述层叠基板和所述半导体元件；以及
冷却壳体，其接合到所述金属基底板的第二面侧，形成有能够使冷却液流通的空间，
所述冷却壳体具有冷却液的入口部和出口部，在所述入口部的导入口侧具备第一凸缘，并在所述出口部的排出口侧具备第二凸缘，
所述第一凸缘的主面与所述金属基底板的第一面平行，所述第二凸缘的主面与所述金属基底板的第一面平行。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述入口部和所述出口部是所述冷却壳体的长度方向边缘部的中央，并且配置于所述金属基底板的第二面的周边。
3.一种功率半导体模块，其特征在于，具备：
金属基底板，其具备第一面和第二面；
层叠基板，其接合到所述第一面，具备第三面和第四面；
半导体元件，其搭载于所述第三面；
树脂壳体，其配置于所述金属基底板的第一面侧，包围所述层叠基板和所述半导体元件；以及
冷却壳体，其接合到所述金属基底板的第二面侧，形成有能够使冷却液流通的空间，
所述冷却壳体具有冷却液的入口部和出口部，在所述入口部的导入口侧具备第一凸缘，并在所述出口部的排出口侧具备第二凸缘，
所述导入口配置于所述入口部的与所述金属基底板的第二面对置的底面，所述排出口配置于所述出口部的与所述金属基底板的第二面对置的底面。
4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于，以使所述冷却壳体从入口部的底面侧导入冷却液的方式形成所述导入口，所述第一凸缘配置于所述入口部的底面侧。
5.根据权利要求4所述的功率半导体模块，其特征在于，所述入口部和所述出口部与所述冷却壳体的侧壁连接并且沿着所述金属基底板的第二面的周边配置。
6.一种功率半导体模块，其特征在于，具备：
金属基底板，其具备第一面和第二面；
层叠基板，其接合到所述第一面，具备第三面和第四面；
半导体元件，其搭载于所述第三面；
树脂壳体，其配置于所述金属基底板的第一面侧，包围所述层叠基板和所述半导体元件；以及
冷却壳体，其接合到所述金属基底板的第二面侧，形成有能够使冷却液流通的空间，
所述冷却壳体具有冷却液的入口部和出口部，在所述入口部的导入口侧具备第一凸缘，并在所述出口部的排出口侧具备第二凸缘，
所述第一凸缘具备与所述导入口对置的第一开口部和两个隔着所述第一开口部配置的一组第一螺栓孔，
所述第二凸缘具备与所述排出口对置的第二开口部和两个隔着所述第二开口部配置的一组第二螺栓孔，
所述树脂壳体具备与所述第一螺栓孔对应的一组第一通孔和与所述第二螺栓孔对应的一组第二通孔，以使螺栓能够在所述树脂壳体的厚度方向上插入所述第一螺栓孔和第一通孔的方式配置所述第一螺栓孔和第一通孔，以使螺栓能够在所述树脂壳体的厚度方向上插入所述第二螺栓孔和第二通孔的方式配置所述第二螺栓孔和第二通孔。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，连结所述第一螺栓孔间的线段与连结所述第二螺栓孔间的线段几乎平行。
8.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一凸缘和所述第二凸缘是板。
9.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一凸缘和第二凸缘的长轴方向分别沿着金属基底板的长边方向延伸。
10.根据权利要求9所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一凸缘的长轴方向与所述第一开口部和所述一组第一螺栓孔的排列方向相同，所述第二凸缘的长轴方向与所述第二开口部和所述一组第二螺栓孔的排列方向相同。
11.根据权利要求1、3和6中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，所述半导体元件包含构成逆变电路的上臂的多个第一半导体元件和构成所述逆变电路的下臂的多个第二半导体元件，并且多个所述第一半导体元件沿着能够在所述冷却壳体中流通的冷却液的移动方向配置，多个所述第二半导体元件沿着能够在所述冷却壳体中流通的冷却液的移动方向配置。
12.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一凸缘和第二凸缘分别通过垫片钎焊于所述冷却壳体而成。
13.一种流路部件，其特征在于，能够与功率半导体模块组合使用，
所述功率半导体模块具备金属基底板和冷却壳体，
所述冷却壳体接合到所述金属基底板的背面，形成有能够使冷却液流通的空间，
此外，所述冷却壳体具有冷却液的入口部和出口部，在所述入口部的导入口侧具备第一凸缘，并在所述出口部的排出口侧具备第二凸缘，
所述流路部件具备：能够与所述第一凸缘连接的第一连接部、能够与所述第二凸缘连接的第二连接部、与所述第一连接部连接且能够使所述冷却液流通的第一流路、以及与所述第二连接部连接且能够使所述冷却液流通的第二流路，并且所述流路部件能够与所述冷却壳体的底面对置地配置。
14.根据权利要求13所述的流路部件，其特征在于，所述第一凸缘的主面与所述金属基底板的第一面平行，所述第二凸缘的主面与所述金属基底板的第一面平行。
15.根据权利要求13所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述第一连接部为了与所述冷却壳体的第一凸缘的主面抵接，而形成于所述流路部件的与所述冷却壳体的底面对置的上表面，
所述流路部件的第二连接部为了与所述冷却壳体的第二凸缘的主面抵接而形成于所述流路部件的上表面。
16.根据权利要求13所述的流路部件，其特征在于，
所述第一凸缘具备与所述导入口对置的第一开口部和隔着所述第一开口部配置的一组第一螺栓孔，
所述第二凸缘具备与所述排出口对置的第二开口部和隔着所述第二开口部配置的一组第二螺栓孔，
在所述第一连接部形成有位置与所述第一螺栓孔对齐的内螺纹孔，
在所述第二连接部形成有位置与所述第二螺栓孔对齐的内螺纹孔。
17.根据权利要求13所述的流路部件，其特征在于，在所述第一连接部和第二连接部分别具备收纳O型环的槽。
18.一种功率半导体模块结构体，其特征在于，通过组合功率半导体模块与流路部件而成，
所述功率半导体模块具备：
金属基底板，其具备第一面和第二面；
层叠基板，其接合到所述第一面，具备第三面和第四面；
半导体元件，其搭载于所述第三面；
树脂壳体，其配置于所述金属基底板的第一面侧，包围所述层叠基板和所述半导体元件；以及
冷却壳体，其接合到所述金属基底板的第二面侧，形成有能够使冷却液流通的空间，
所述冷却壳体具有冷却液的入口部和出口部，在所述入口部的导入口侧具备第一凸缘，并在所述出口部的排出口侧具备第二凸缘，
所述流路部件具备：与所述第一凸缘连接的第一连接部、与所述第二凸缘连接的第二连接部、与所述第一连接部连接且能够使所述冷却液流通的第一流路、以及与所述第二连接部连接且能够使所述冷却液流通的第二流路，并且所述流路部件与所述冷却壳体的底面对置地配置。
19.根据权利要求18所述的功率半导体模块结构体，其特征在于，所述第一凸缘的主面与所述金属基底板的第一面平行，所述第二凸缘的主面与所述金属基底板的第一面平行。
20.根据权利要求18所述的功率半导体模块结构体，其特征在于，
所述第一连接部为了与所述冷却壳体的第一凸缘的主面抵接而形成于所述流路部件的与所述冷却壳体的底面对置的上表面，
所述流路部件的第二连接部为了与所述冷却壳体的第二凸缘的主面抵接而形成于所述流路部件的上表面。
21.根据权利要求18所述的功率半导体模块结构体，其特征在于，所述功率半导体模块和所述流路部件通过多个螺栓紧固。
22.根据权利要求18所述的功率半导体模块结构体，其特征在于，在所述第一连接部和第二连接部分别具备收纳O型环的槽，所述各槽具备O型环。
23.根据权利要求1、3和6中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述功率半导体模块具备由上臂和下臂构成的第一组以及由上臂和下臂构成的第二组，
所述第一组至少包含作为所述层叠基板的第一层叠基板、作为所述半导体元件的构成所述上臂的第一半导体元件和构成下臂的第二半导体元件、以及向所述第一半导体元件和第二半导体元件供给电源的第一电源端子，
所述第二组至少包含作为所述层叠基板的第二层叠基板、作为所述半导体元件的构成所述上臂的第三半导体元件和构成下臂的第四半导体元件、以及向所述第三半导体元件和第四半导体元件供给电源的第二电源端子。
24.根据权利要求23所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述第一电源端子包含能够与电源的正极侧连接的第一正端子和能够与所述电源的负极侧连接的第一负端子，
所述第二电源端子包含能够与电源的正极侧连接的第二正端子和能够与所述电源的负极侧连接的第二负端子，
所述第一正端子和所述第二正端子是不同的端子，且为相同的形状，
所述第一负端子和所述第二负端子是不同的端子，且为相同的形状。
25.根据权利要求24所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一正端子和所述第二正端子为相同的尺寸，所述第一负端子和所述第二负端子为相同的尺寸。
26.根据权利要求24所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述第一正端子和所述第二正端子分别具备腿部，
所述第一负端子和所述第二负端子分别具备腿部，
所述第一正端子的腿部的延伸方向与所述第一负端子的腿部的延伸方向平行，
所述第二正端子的腿部的延伸方向与所述第二负端子的腿部的延伸方向平行，并且，
所述第一正端子的腿部的延伸方向与所述第二正端子的腿部的延伸方向平行。
27.根据权利要求24所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述第一正端子和所述第一负端子以在两者之间能够连接第一电容器的方式构成，
所述第二正端子和所述第二负端子以在两者之间能够连接第二电容器的方式构成。
28.一种汽车，其特征在于，至少具备权利要求18所述的功率半导体模块结构体和利用了所述功率半导体模块结构体的马达。
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