CN113614917A - 功率半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率半导体装置及其制造方法，该功率半导体装置包括：具有第1功率半导体元件的第1子模块；具有第2功率半导体元件的第2子模块；正极侧导体部和负极侧导体部；形成将第1子模块夹在中间而与负极侧导体部相对的负极侧相对部、和将第2子模块夹在中间而与正极侧导体部相对的正极侧相对部的中间基板；通过传输信号来控制第1功率半导体元件或第2功率半导体元件的多个信号端子，第2子模块以使第2功率半导体元件的电极面与第1功率半导体元件的电极面的朝向反转的方式配置，在第2子模块的高度方向上且被夹在该第2子模块的一部分和中间基板之间的空间中配置信号中继导体部，中间基板具有与信号中继导体部连接且与信号端子电连接的布线。由此，在抑制主电路电感增大的同时，提高功率半导体装置的生产率。

Description

功率半导体装置
技术领域
本发明涉及功率半导体装置，特别涉及控制车载用的驱动用电动机的功率半导体装置。
背景技术
近年来，车载用的功率转换装置要求高输出密度。为了达到高输出密度，需要降低损耗、减少发热。降低损耗的一个方法是通过提高开关速度来降低开关损耗，但随着开关速度提升，浪涌电压会变大。
因此，需要降低成为浪涌电压原因的主电路的寄生电感。专利文献1公开了为了提高散热性而从两面冷却功率半导体元件的结构。专利文献2公开了为了降低电感并提高冷却性能而将上下臂的其中一个单臂的功率半导体元件反转的结构。
但是，在将专利文献2那样使单臂的功率半导体元件反转的结构应用到专利文献1的两面冷却结构的情况下，需要进一步提高包含上下臂的功率半导体装置的生产率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2014－23327号公报专利文献2：日本专利特开2017－183430号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的技术问题是在抑制主电路电感增大的同时，提高功率半导体装置的生产率。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的功率半导体装置包括：具有第1功率半导体元件的第1子模块；具有第2功率半导体元件的第2子模块；正极侧导体部和负极侧导体部；形成将第1子模块夹在中间而与负极侧导体部相对的负极侧相对部、和将第2子模块夹在中间而与正极侧导体部相对的正极侧相对部的中间基板；以及传输用于控制第1功率半导体元件或第2功率半导体元件的信号的多个信号端子，第2子模块以使第2功率半导体元件的电极面与第1功率半导体元件的电极面的朝向反转的方式配置，在第2子模块的高度方向上并且被夹在该第2子模块的一部分和中间基板之间的空间中配置信号中继导体部，中间基板具有与信号中继导体部连接且与信号端子电连接的布线。
发明效果
根据本发明，能够在抑制主电路电感增大的同时，提高功率半导体装置的生产率。
附图说明
图1是本实施方式所涉及的功率半导体装置100的外观主视图。
图2是从图1所示的功率半导体装置100中去除了模塑材料206、冷却金属部207、绝缘层306、焊接用图案307、焊接材料602后的内部结构图。
图3是从图2所示的功率半导体装置100中去除了高电位侧布线301以及低电位侧布线302后的内部结构图。
图4是从图3所示的功率半导体装置100中去除了第一子模块401以及第二子模块402后的内部结构图。
图5是本实施方式涉及的子模块400的外观主视图。
图6是从图5所示的子模块400中去除了子模块内低电位侧导体部403后的内部结构图。
图7是从箭头方向观察图5所示的子模块400的通过点划线D-D’的截面的截面图。
图8是从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线A-A'的截面的截面图。
图9是从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线B-B'的截面的截面图。
图10是从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线C-C'的截面的截面图。
图11是实施方式2所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线A-A'的截面的截面图。
图12是实施方式2所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线B-B'的截面的截面图。
图13是实施方式3所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线A-A'的截面的截面图。
图14是实施方式3所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线B-B'的截面的截面图。
图15是实施方式4所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线A-A'的截面的截面图。
图16(a-1)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、第一子模块和第二子模块的截面图。
图16(a-2)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、第一子模块和第二子模块的俯视图。
图16(b-1)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、交流输出侧基板801和直流输入侧基板802上搭载了第一子模块和第二子模块的截面图。
图16(b-2)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、交流输出侧基板801和直流输入侧基板802上搭载了第一子模块和第二子模块的俯视图。
图16(c-1)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、向图16(b-1)所示的结构连接了引线接合601的截面图。
图16(c-2)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、向图16(b-2)所示的结构连接了引线接合601的俯视图。
图16(d-1)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、向图16(c-1)所示的结构安装了冷却金属部207的截面图。
图16(d-2)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、向图16(c-2)安装了冷却金属部207的俯视图。
图16(e-1)是示出实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、对图16(d-1)所示的结构进行树脂密封后的截面图。
图16(e-2)是表示实施方式2所涉及的功率半导体装置的制造工序的、对图16(d-2)所示的结构进行树脂密封后的俯视图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明所涉及的功率半导体装置的实施方式。另外，在各图中相同的要素将用相同的符号记录，省略重复的说明。本发明不限定于以下的实施方式，其范围还包括本发明的技术概念中的各种变形例和应用例。
【实施方式1】
参照图1至10来说明本实施方式1所涉及的功率半导体装置100。
图1是本实施方式1所涉及的功率半导体装置100的外观主视图。如图1所示，功率半导体装置100包括：高电位侧端子201；低电位侧端子202；交流输出端子203；正极感测端子204U和204L；负极感测端子205U和205L以及冷却金属部207。每一个部分都由模塑材料206树脂密封。由此，确保了各部件之间的绝缘性。
高电位侧端子201、低电位侧端子202、交流输出端子203、正极感测端子204、负极感测端子205从模塑材料206突出，分别与外部装置连接。冷却金属部207的表面带有翅片。由此，能够提升冷却性能。
接着，将参考图3、图8至图10对功率半导体装置100的层叠结构进行说明。
图3是从图2所示的功率半导体装置100中去除了高电位侧布线301以及低电位侧布线302后的内部结构图。图8是从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线A-A'的截面的截面图。图9是从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线B-B'的截面的截面图。图10是从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100通过点划线C-C'的截面的截面图。
如图8、图9和图10所示，从截面方向看，上侧的绝缘层306的表面上形成高电位侧布线301和低电位侧布线302。另外，在其相反侧的表面上，形成用于热连接冷却金属部207的焊接用图案307。焊接用图案307经由焊接材料602，和冷却金属部207热连接。
如图3和图8所示，从截面方向看，下侧的绝缘层306的一个表面上形成有交流输出布线303、正极感测布线304U(参照图3)、负极感测布线305U(参照图3)、高电位侧端子接合用图案308(参照图3)、低电位侧端子接合用图案309(参照图3)。在另一个表面上，形成用于热连接冷却金属部207的焊接用图案307。焊接用图案307经由焊接材料602，和冷却金属部207热连接。
图2是从图1所示的功率半导体装置100中去除了模塑材料206、冷却金属部207、绝缘层306、焊接用图案307、焊接材料602后的内部结构图。
如图2和图3所示，低电位侧端子202经由焊接材料602电连接至低电位侧端子接合用图案309以及低电位侧布线302。另外，低电位侧端子202通过螺钉紧固、激光焊接等与用于平滑来自电池的直流电压的电容器(未图示)的低电位侧电连接。
这里，参考图5、图6和图7，对子模块400的结构进行说明。
图5是本实施方式涉及的子模块400的外观主视图。图6是从图5所示的子模块400中去除了子模块内低电位侧导体部403后的内部结构图。图7是从箭头方向观察图5所示的子模块400的通过点划线D-D’的截面的截面图。
功率半导体元件500可以使用例如MOSFET、IGBT。功率半导体装置100的结构包括：构成逆变器电路上臂的第1功率半导体元件505、和构成逆变器电路下臂的第2功率半导体元件506。图5至图7示出了构成上臂的子模块400。
如图6所示，第1功率半导体元件505分别包括：正极感测电极503、负极感测电极504、低电位侧电极501、高电位侧电极502(功率半导体元件500的背面侧)。针对IGBT的情况，这些电极中，正极感测电极503相当于栅极，负极感测电极504相当于开尔文发射极，低电位侧电极501相当于发射极，高电位侧电极502相当于集电极。另外，针对MOSFET的情况，正极感测电极503相当于栅极，负极感测电极504相当于开尔文源极，低电位侧电极501相当于源极，高电位侧电极502相当于漏极。
另外，根据功率半导体元件的种类，也有不具备负极感测电极504而使用低电位侧电极501作为负极感测电极的功率半导体元件，对于本实施方式，那样的半导体元件也可以使用。
如图7所示，子模块内高电位侧导体部404包括：子模块内绝缘层407、子模块内正极感测布线405和子模块内负极感测布线406。
子模块内绝缘层407形成于高电位侧导体部404表面的未安装第1功率半导体元件505的区域。子模块内绝缘层407将高电位侧导体部404和子模块内正极感测布线405以及子模块内负极感测布线406绝缘。
子模块内正极感测布线405和子模块内负极感测布线406形成于子模块内绝缘层407的表面，分别向功率半导体元件500传输电信号。
另外，在本实施方式中，虽然子模块内绝缘层407形成了T字型，但是并非必须是T字型，可以根据第1功率半导体元件505的配置而设想成各种形状。
子模块内高电位侧导体部404经由焊接材料602连接到高电位侧电极502。
低电位侧电极501经由焊接材料602电连接到子模块内低电位侧电极403。正极感测电极503经由引线接合601电连接到子模块内正极感测布线405。负极感测电极504经由引线接合601电连接到子模块内负极感测布线406。
如图9和图10所示，第1子模块401的子模块内低电位侧导体部403L经由焊接材料602电连接到低电位侧布线302。第1子模块401的子模块内高电位侧导体部404L经由焊接材料602电连接到交流输出布线303。
图3是从图2所示的功率半导体装置100中去除了高电位侧布线301以及低电位侧布线302后的内部结构图。图4是从图3所示的功率半导体装置100中去除了第1子模块401以及第2子模块402后的内部结构图。
如图3所示，交流输出端子203经由焊接材料602电连接到交流输出布线303。另外，交流输出端子203通过螺钉紧固、激光焊接等，电连接到与电动机连接的总线(未图示)。
正极感测端子204L经由引线接合601电连接到子模块内正极感测布线405L。负极感测端子205L经由引线接合601电连接到子模块内负极感测布线406L。正极感测端子204L以及负极感测端子205L电连接到控制基板(未图示)，有着向功率半导体元件500传送控制信号的功能。
如图3和图8所示，正极感测端子204U经由引线接合601电连接正极感测布线304U。负极感测布线304U经由焊接材料602电连接到信号中继导体701。负极感测端子205U经由引线接合601电连接到负极感测布线305U。
如图8所示，负极感测布线305U经由焊接材料602电连接到信号中继导体701。信号中继导体701经由焊接材料602电连接到子模块内负极感测布线406U。正极感测端子204U以及负极感测端子205U电连接到控制基板(未图示)，有向功率半导体元件500传送控制信号的功能。
如图8所示，第2子模块402的子模块内低电位侧导体部403U经由焊接材料602电连接到交流输出布线303。第2子模块402的子模块内高电位侧导体部404U经由焊接材料602电连接到高电位侧布线301。
以此方式，第2子模块402以与第1子模块401反转的朝向经由焊接材料602电连接到交流输出布线303。通过将第2子模块402反转连接，功率半导体装置内部的电流路径变短，可以预见电感降低的效果。
这里，在模塑工序中，由于用金属模具夹入功率半导体装置100，在端子高度不齐的情况下，会发生树脂泄漏或位置偏差等问题，在制造上存在问题。
另外，不使用中继端子701的情况下，需要反转功率半导体装置100来进行引线接合，因此有可能降低生产率。
为此，通过设置信号中继导体701，高电位侧端子201、低电位侧端子202、交流输出端子203、正极感测端子204和负极感测端子205在从A-A’截面方向看时可以设为相同的高度和厚度，确保了模塑工序时的生产率。
如图8所示，负极感测端子305U经由焊接材料602电连接到信号中继导体701。信号中继导体701经由焊接材料602电连接到子模块内负极感测布线406U。由此，可以以负极感测布线305U为基准来统一引线接合的高度，能抑制生产率的下降。
关于正极感测布线304U，也以同样的连接方式经由信号中继导体701连接到子模块内正极感测布线405。由此，能够使正极感测端子204U、负极感测端子205U、高电位侧端子201、低电位侧端子202的端子高度全部一致。
因此，根据本实施方式，能够使端子的高度一致，确保模塑工序时的生产率。
【实施方式2】
参照图11和图12来说明本发明所涉及的实施方式2。
图11是实施方式2所涉及的从箭头方向观察功率半导体装置100的通过点划线A-A'的截面的截面图。图12是实施方式2所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线B-B'的截面的截面图。
本实施方式中，如图11和图12所示，从相对于功率半导体元件500的电极面呈直角的方向上看时，引线接合601的上部具有非层叠部702。由此，在对模塑材料206以外的部件进行了焊接后也容易接合引线接合601。因此，可以确保生产率。
图16示出了本实施方式所涉及的功率半导体装置100的制造工序。
图16(a-1)示出制造工序，是第1子模块401和第2子模块402的截面图。图16(a-2)示出制造工序，是第1子模块401和第2子模块402的俯视图。图16(b-1)示出制造工序，是交流输出侧基板801和直流输入侧基板802上搭载了第1子模块401和第2子模块402的截面图。
图16(b-2)示出制造工序，是交流输出侧基板801和直流输入侧基板802上搭载了第1子模块401和第2子模块402的俯视图。图16(c-1)示出制造工序，是对图16(b-1)的结构连接了引线接合601的截面图。图16(c-2)示出制造工序，是对图16(b-2)的结构连接了引线接合601的俯视图。
由于直流输入侧基板802比交流输出侧基板801小，从而即使在具有非层叠部702，且在直流输入侧基板802和交流输出侧基板801同时搭载子模块的情况下，也能够连接引线接合601。
图16(d-1)示出制造工序，是对图16(c-1)的结构安装了冷却金属部207的截面图。图16(d-2)示出制造工序，是对图16(c-2)的结构安装了冷却金属部207的俯视图。
图16(e-1)示出制造工序，是对图16(d-1)的结构进行了树脂密封的截面图。图16(e-2)示出制造工序，是对图16(d-2)的结构进行了树脂密封的俯视图。
通过以上的制造工序，与单侧各自搭载直流输入侧基板802和交流输出侧基板801的一般的制造工序相比缩短了工序，并且能够抑制单侧各自搭载时会发生的基板刮伤。
【实施方式3】
参照图13和图14来说明本发明所涉及的实施方式3。
图13是实施方式3所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线A-A'的截面的截面图。图14是实施方式3所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线B-B'的截面的截面图。
本实施方式中，信号中继导体703为钩形。由此，在上下臂的形状设为相同的同时，能够缩短引线接合工序。
如图13和图14所示，负极感测端子205U经由焊接材料602电连接到负极感测布线305U。负极感测布线305U经由焊接材料602电连接到钩形的信号中继导体703。信号中继导体703经由焊接材料602电连接到子模块内负极感测布线406U以及固定用布线704。
正极感测端子205U经由焊接材料602电连接到正极感测布线305U。正极感测布线305U经由焊接材料602电连接到信号中继导体703。钩形的信号中继导体703经由焊接材料602电连接到子模块内负极感测布线406U以及固定用布线704。
尽管未图示，负极感测端子205L同样经由焊接材料602电连接到负极感测布线305L。负极感测布线305L经由焊接材料602电连接到信号中继导体703。信号中继导体703经由焊接材料602电连接到子模块内负极感测布线406L以及固定用布线704。
如图14所示，正极感测端子204L经由焊接材料602电连接到正极感测布线304L。正极感测布线304L经由焊接材料602电连接到钩形的信号中继导体703。钩形的信号中继导体703经由焊接材料602电连接到子模块内正极感测布线406L以及固定用布线704。
通过使用信号中继导体703，能够使正极感测端子204U、负极感测端子205U、高电位侧端子201、低电位侧端子202的端子的高度全部一致。并能够使正极感测端子204L、负极感测端子205L、交流输出端子203的端子的高度全部一致。通过使用信号中继导体703，在上下臂的形状设为相同的同时，能够缩短引线接合工序。因此，提高了生产率。
【实施方式4】图15是实施方式4所涉及的从箭头方向观察图1所示的功率半导体装置100的通过点划线A-A'的截面的截面图。除了信号中继导体701之外，实施方式4采用和实施方式1相同的连接。
如图15所示，设有信号中继导线705作为实施方式1的信号中继导体701的替代。信号中继导线705通过例如超声波接合电连接到负极感测布线305U和子模块内负极感测布线406U。
信号中继导线705通过超声波接合电连接到正极感测布线304U和子模块内正极感测布线405U。通过使用信号中继导线705，无需使用实施方式1的信号中继导体701连接时所用的焊接材料602就能进行电连接，能够防止由于焊接材料未接合而导致的生产率下降。
上述实施方式是本发明的优选实施方式的一个示例，但不限定其范围，能够在不脱离本发明主旨的范围内进行变更。
标号说明
100功率半导体装置；201高电位侧端子；202低电位侧端子；203交流输出端子；204正极感测端子；205负极感测端子；206模塑材料；207冷却金属部；301高电位侧布线；302低电位侧布线；303交流输出布线；304正极感测布线；305负极感测布线；306绝缘层；307焊接用图案；308高电位侧端子接合用图案；309低电位侧端子接合用图案；400子模块；401第1子模块；402第2子模块；403子模块内低电位侧导体部；404子模块内高电位侧导体部；405子模块内正极感测布线；406子模块内负极感测布线；407子模块内绝缘层；500功率半导体元件；501低电位侧电极；502高电位侧电极；503正极感测电极；504负极感测电极；505第1功率半导体元件；506第2功率半导体元件；601引线接合；602焊接材料；701信号中继导体；702非层叠部；703信号中继导体；704固定用布线；705信号中继导线；801交流输出侧基板；802直流输入侧基板；U上臂；L下臂。

Claims (5)

1.一种功率半导体装置，其特征在于，包括：
具有第1功率半导体元件的第1子模块；
具有第2功率半导体元件的第2子模块；
正极侧导体部和负极侧导体部；
形成将所述第1子模块夹在中间而与所述负极侧导体部相对的负极侧相对部、和将所述第2子模块夹在中间而与所述正极侧导体部相对的正极侧相对部的中间基板；以及
传输用于控制所述第1功率半导体元件或所述第2功率半导体元件的信号的多个信号端子，
所述第2子模块以使所述第2功率半导体元件的电极面与所述第1功率半导体元件的电极面的朝向反转的方式进行配置，
在所述第2子模块的高度方向上并且被夹在该第2子模块的一部分和所述中间基板之间的空间中配置信号中继导体部，
所述中间基板具有与所述信号中继导体部连接且与所述信号端子电连接的布线。
2.如权利要求1所述的功率半导体装置，其特征在于，
具备将设置于所述中间基板的布线与所述信号端子连接的接合线，
所述中间基板由将所述第1子模块和所述第二子模块夹在中间的第1中间基板和第2中间基板构成，
从相对于所述第2功率半导体元件的电极面呈直角的方向看时，
所述第1中间基板具有不与所述第2中间基板重叠的非层叠部，
在所述非层叠部设有所述布线与接合线的连接部。
3.如权利要求1或2所述的功率半导体装置，其特征在于，
在所述第2子模块的高度方向上且被夹在该第2子模块的一部分和所述中间基板之间的空间中配置所述信号中继导体，
所述中间基板具有与所述信号中继导体连接且和所述信号端子电连接的布线。
4.如权利要求1所述的功率半导体装置，其特征在于，
在所述第2子模块的高度方向上且被夹在该第2子模块的一部分和所述中间基板之间的空间中配置信号中继导线，
所述中间基板具有与所述信号中继导线连接且和所述信号端子电连接的布线。
5.一种功率半导体装置的制造方法，该功率半导体装置包括：
具有第1功率半导体元件的第1子模块；
具有第2功率半导体元件的第2子模块；
正极侧导体部和负极侧导体部；
将所述第1子模块和所述第2子模块夹在中间的第1中间基板和第2中间基板；以及
传输用于控制所述第1功率半导体元件或所述第2功率半导体元件的信号的多个信号端子，
所述功率半导体装置的制造方法的特征在于，包括：
经由焊接材料以使所述第2功率半导体元件的电极面与所述第1功率半导体元件的电极面的朝向反转的方式将所述第1子模块和所述第2子模块并排配置于所述第1中间基板的第1工序；
在配置有所述第1中间基板的一侧的相反侧，在所述第1子模块和所述第2子模块、经由焊接材料以设置使所述第2中间基板和所述第1中间基板之间不重叠的非层叠部的方式配置该第2中间基板的第2工序；
使所述焊接材料熔融从而将所述第1子模块、所述第2子模块、所述第1中间基板和所述第2中间基板相接合的第3工序；以及
经由接合线将设置于所述非层叠部的布线和多个信号端子相连接的第4工序。
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