CN1270702A - 半导体模块及使用该半导体模块的电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体模块,其中引线电极和与树脂壳体分离的树脂构件一体成形,或被压入到树脂中,通过粘接剂等把接插件粘接到基板上,该接插件具有用于与引线电极引线键合的焊盘,在该基板上半导体功率器件也以类似方式安装到模块壳体上。由此,电极可以设置在半导体模块中的合适位置上,还可以提高设计自由度。

Description

半导体模块及使用该半导体模块的电力变换装置
本发明涉及半导体模块及使用该半导体模块的电力变换装置。
近年来功率半导体模块，在其电流容量范围拓宽为从数安培到数千安培的同时，还实现了小型化和低价化。由于小型化低价化及高可靠性，这种功率半导体模块采用了电极的一部分与模块壳体的树脂部一体成形的壳体及电极(以下称之为引线嵌入壳体)。在日本专利特开平7-263621号公报中所描述的技术就是其一例。但是，在从数安培到数十安培级中，随着应用本身的小型化和特殊形状化的进展，也要求模块度身定制化。作为应用提出的要求一个例子是模块外形、高度及电极位置等等，特别是各个应用要求的电极位置不同，需要与可以进行特别设计的电极一体成形的嵌入壳体。因此，就必须根据每个要求制作壳体和电极一体成形及电极冲压用的冲模，并且需要庞大的初期投资和开发期。
另外，最近也有一种模块是一种可将电极自动插入到与模块外壳分开设计的PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)等的树脂内的通用接插件利用焊锡直接固定于在模块内绝缘层上预先设置的铜箔图形结构上，可以不受模块形状影响地配置电极，并且由于利用通用接插件而可以降低价格，缩短开发期和满足顾客定制要求。但是，由于电极是利用焊锡固定，施加于电极和铜箔之间的焊锡，铜箔结构，以及铜箔结构紧下方的绝缘层上的源于模块内外部的应力会破坏焊锡部及铜箔紧下方的绝缘层等，导致绝缘不良及断线等而降低可靠性。
根据上述的现有技术，在采用引线插入壳体实行小型化及高可靠性化的同时，可利用通用接插件实现降低价格和缩短开发期。
然而，如果针对功率半导体模块的度身定制化采用引线插入壳体，则必需降低设计自由度，庞大的初期投资和很长的开发期。另外，如使用通用接插件，还存在引起可靠性降低的问题。
本发明的目的是提供一种可以避免降低对应于各种应用的定制模块的设计自由度，小型低价，可靠性高且开发期缩短的半导体模块。
为解决上述课题，在根据本发明的半导体模块中，利用与壳体分离的树脂构件将引线包覆，并将确保金属引线与该电极部键合的空间的接插件连接到承载半导体元件的基板。
利用这种接插件，可以在不大受模块壳体形状影响的情况下在半导体模块内的适当位置配置电极和提高设计自由度的同时，可无须针对每个应用的要求开发引线插入壳体而提供定制模块，这就可能做到低价，高可靠性并减小初期投资和缩短开发期。
另外，承载于半导体模块的用于连接半导体元件及其他的电路部件的配线图形结构和接插件不必使用焊锡进行电连接，而由于使用金属引线键合可以提高在断线和绝缘等方面的可靠性。
如果将上述本发明的半导体模块应用于逆变器装置等电力变换装置中，就可以加大承载半导体模块和其他电路部件的基板的配置自由度。从而可以实现电力变换装置的小型化。
根据本发明的半导体模块包括树脂壳体、位于树脂壳体内的半导体元件、与半导体元件电连接并引出到树脂壳体外部的引线电极以及承载电路部件的基板。此外，基板位于半导体元件上，并且以可拆装方式与引线电极连接。作为这种半导体模块的具体结构，有一种结构是根据本发明的半导体模块的电极与承载电路部件的基板的连接方式是可拆装方式。
另外，根据本发明的电力变换装置包括：具有树脂壳体、位于树脂壳体内的半导体元件、与半导体元件电连接并引出到树脂壳体外部的引线电极的半导体模块，以及承载电路部件的基板。此外，基板位于半导体元件上，并且以可拆装方式于引线电极连接。根据本发明的其他电力变换装置的具体结构可采用前述根据本发明的其他半导体模块的具体结构。半导体模块及电力变换装置的多品种化及系列化更为容易。所以，半导体模块及电力变换装置就可以低价化。
图1为示出第1实施例的俯视图。
图2为图1的A-A′剖视图。
图3为示出第2实施例的俯视图。
图4为图3的B-B′剖视图。
图5为示出第3实施例的俯视图。
图6为图5的C-C′剖视图。
图7为示出第4实施例的俯视图。
图8为图7的D-D′剖视图。
图9为示出第5实施例的俯视图。
图10为图9的E-E′剖视图。
图11为示出第6实施例的俯视图。
图12为图11的F-F′剖视图。
图13为示出第7实施例的剖视图。
图14为图13的侧剖图。
图15为示出第8实施例的俯视图。
图16为图15的俯视图。
图17为采用第8实施例的电力变换装置的剖视图。
图18为示出第9实施例的剖视图。
图19为图18的侧剖图。
图20为示出第10实施例的剖视图。
下面基于附图对本发明的一个实施例予以说明。
图1为示出根据本发明的功率半导体模块的第1实施例的俯视图，而图2为图1的A-A′剖视图。
在图1的功率半导体模块中，在多片AlN等绝缘陶瓷板4上安装有多个晶体管1及二极管2。绝缘陶瓷板4设置于金属基板3的预定位置。金属基板3及其上承载的半导体元件等的安装方法与现有的功率半导体模块一样。即在金属基板3上利用焊锡将多片AlN等绝缘陶瓷板4固定于金属基板3。在绝缘陶瓷板4上将用于连接晶体管1及二极管2的主电极及控制电极的箔导体图形结构5固定。在箔导体图形结构5上利用焊锡固定晶体管1及二极管2。利用金属引线6的引线键合将各半导体元件的电极和箔导体图形结构5连接于固定在树脂壳体7的电极8。电极8就成为对模块内部电路和模块外部进行电连接的引线电极。
如图1及图2所示，本实施例的特征在于具有一体成形或压入与树脂壳体7分离的树脂构件9和电极8的接插件作为部件1。在此接插件和金属基板3的接触面的相反的一面上设置有利用电极8的一部分可与金属引线6键合连接的焊盘10。接插件的树脂壳体7是利用硅树脂系的粘接材11粘接到金属基板3上。绝缘陶瓷板4上的箔导体图形结构5及半导体元件和焊盘10是利用金属引线6通过键合而进行电连接。即在本实施例中，电极8的机械固定手段(粘接材)和电连接手段(引线)是不同的手段。
借助如上所述的接插件，可将现在一直使用的这种电极8和箔导体图形结构5的锡焊工序省略，从而可以解消由于在锡焊部发生应力造成的锡焊面及绝缘层的破坏等所导致的可靠性降低。另外，因为接插件是由粘接材固定，电极8不是直接组装于树脂壳体7中，所以可以无须改变树脂壳体7就可以很容易变更接插件的位置。因此，就很容易变更电极8的设计。另外，在模块外形和顾客要求等方面无需随着树脂壳体7的变更而变更电极8。就是说，由于除了外壳以外的模块部件可能通用化，所以可以做到价格低和交货时间短。另外，由于电极8的电连接是采用引线键合，不使用焊锡等导电性粘接材，所以可以防止施加于电极8上的模块内外部应力所造成的电极锡焊部的锡焊层、箔导体图形结构以及绝缘陶瓷板的破坏。因此，可以提高功率半导体模块的可靠性。
最好是采用PPS(聚苯撑硫)等坚固的树脂制作接插件的树脂构件9以保证强度。另外，由于焊盘10的正下方的树脂部的厚度可提高键合的可靠性，最好大约为1mm至20mm。电极8的材质可用铜，并且通过将焊盘10的铜表面镀上不易生锈的金属还可以进一步地提高可靠性。
图3为示出根据本发明的功率半导体模块的第2实施例的俯视图，而图4为图3的B-B′剖视图。
在图3及图4中，与前述图1的不同之处在于接插件通过引线电极8的树脂包覆部分相对焊盘10表面向上弯曲而朝向模块的上表面。此处，引线电极8是由引线电极8露出到外部的连接部从树脂壳体7的上表面引出。据此可增加与外部电路连接方法的自由度，可以实现应用小型化。另外，如本实施例，可以使用电极8的形状、数量及焊盘10的形状不同的多种接插件。
根据本实施例，考虑到各电极8之间必需的绝缘距离等可以确定最小安装面积的设计。也即在充分反映用户对电极8的位置的要求的同时，可在实现模块小型化，低价化和短交货期的同时提高可靠性。
图5为示出根据本发明的功率半导体模块的第3实施例的俯视图，而图6为图5的C-C′剖视图。
在图5及图6中，与前述图1及图3的不同之处在于接插件的引线电极8相对焊盘10表面向上弯曲，在夹着电极8的弯曲部分的两侧设置焊盘10。因此，可以从接插件的两侧对焊盘10进行键合，从而可以大幅度提高模块内的箔导体图形结构5的设计及电路构成元件的设计自由度。从而容易实现功率半导体模块的小型化和低价化。
此外，根据本实施例，因为接插件位置的设定自由度大，所以在连接多个半导体元件，特别是将象晶体管1这样的开关元件进行串联连接之际，可在各元件之间平衡布线电感而使开关动作均一。
图7为示出根据本发明的功率半导体模块的第4实施例的俯视图，而图8为图7的D-D′剖视图。
在图7及图8中，与前述图3及图4的不同之处在于决定在金属基板3上固定接插件的位置的夹具13是利用焊锡等使其固定于预先设置在金属基板3的上表面的夹具用箔导体图形结构12上，同时接插件的树脂构件9的底表面上在预定位置设置有夹具13用的孔16。因此，在模块组装时可提高确定接插件位置的精度。另外，通过调节夹具13的高度和孔16的深度可以以更高的精度设定固定接插件的粘接材11的厚度。因此，可改善有效利用率而更容易实现低价化和高可靠性。
图9为示出根据本发明的功率半导体模块的第5实施例的俯视图，而图10为图9的E-E′剖视图。
在图9及图10中，与前述图7及图8的不同之处在于决定在金属基板3上固定接插件的位置的夹具是开始时装入到树脂壳体7本身之中。即在树脂壳体7的内侧侧面的预定位置上设置多个凸部14的同时，在接插件侧在接插件的树脂构件9和树脂壳体7的接触面的预定位置设置多个容纳凸部14的凹沟15。因此，可以提高在组装模块时确定接插件位置的精度。此外，通过对多个凸部14及凹沟15进行设计，可以做到能够使接插件的位置容易平行移动，在可以增加设计的自由度并缩短交货期的同时，可以改善有效利用率并免于使用夹具。所以，可以实现功率半导体模块的低价化和高可靠性。
图11为示出根据本发明的功率半导体模块的第6实施例的俯视图，而图12为图11的F-F′剖视图。
在图11及图12中，与前述图9及图10的不同之处在于作为在开始时装入到树脂壳体7本身之中用来确定固定接插件位置的夹具，在树脂壳体7的内侧的整个周面上设置用来容纳接插件的托架部17。因此，在组装模块时可以在提高确定位置精度的同时能够使接插件的位置容易平行移动而增加设计自由度并缩短交货期。
图13为示出根据本发明的的第7实施例的电力变换装置的剖视图，而图14为侧剖图。
在本实施例中的电力变换装置中，在壳体24的底部设置根据本发明的功率半导体模块。在本功率半导体模块中，与上述第2～6实施例一样，设置有多个接插件，其中，相对于焊盘面10向上弯曲的电极8被和树脂壳体7分离的树脂构件9所包覆，接插件的树脂构件9和金属基板3相粘接。此外，在本功率半导体模块中，内部安装有控制感应电动机等转动机器的输出特性的微处理器单元17及其外围电路，驱动作为功率半导体元件的晶体管1的驱动电路18，控制用电源电路以及变压器20的印刷电路板14。印刷电路板14位于具有晶体管1和二极管2的功率电路单元的上方，通过接插件的电极8与功率电路单元进行电连接。另外，功率电路单元构成用于驱动转动机器的逆变器电路。在功率半导体模块中充填树脂25。树脂25包覆功率电路单元及印刷电路板14并保护之。在功率半导体模块上，设置有印刷电路板15，其上安装有与存储向转动机器提供的电力的电解电容器19及向转动机器输出的布线相连接的端子台21.印刷电路板15通过接插件的电极与功率电路单元进行电连接。此外，在壳体24的内部上方安装有连接上位控制机器和各种传感器电路以及用户接口电路的微处理器单元17，调节转动机器的输出特性的体电阻22以及向运行人员显示电力变换装置的运行状态等的显示仪表23等的用户接口用的印刷电路板16。
本实施例的特征在于印刷电路板14及15是利用第2～6实施例那样的接插件与功率半导体模块的功率电路单元进行电连接。特别是通过在接插件和印刷电路板14的电连接中使用焊锡可以消除由于密封半导体模块的树脂所引起的连接不良。另外，用于连接印刷电路板15和功率半导体模块的接插件的高度尺寸，比用于连接印刷电路板15和功率电路单元的接插件高度尺寸大。因此，可以将印刷电路板15重叠配置于功率半导体模块上。于是，电力变换器就可以小型化。另外，由于印刷电路板15可重叠配置于功率半导体模块上，可以在壳体24内的侧面及上方确保供配置如本实施例的印刷电路板16这样的其他印刷电路板或其他电气部件的空间。所以，除了功率半导体模块之外，即使需要多个印刷电路板和多个电气部件，电力变换装置也可以小型化。
通过采用如上的接插件，可省略现在所使用的电极8和箔导体图形结构5的锡焊工序，可以防止在该焊锡部发生的内外部应力所造成的锡焊面及绝缘层的破坏等造成的可靠性降低。另外，因为电极8不是直接装入模块用的树脂壳体7，通过自由选择接插件9的位置及形状并移动及变更接插件9可以很容易变更电极8的设计。所以，可以在大幅度提高模块内的箔导体图形结构5的设计及电路构成元件的设计自由度的同时，容易实现功率半导体模块的小型化和定制化。另外，覆盖内置于功率半导体模块中的印刷电路板14的树脂25的膨胀和收缩所发生的作用于电极8的应力，由于电极8不是利用焊锡与模块内部电路连接，所以不会破坏绝缘层4及绝缘层4上的箔导体图形结构。所以，可以实现难以发生绝缘耐压降低等情况的可靠性高且容易定制化的功率半导体模块及电力变换装置。
图15，图16及图17示出本发明第8实施例，分别为示出各个功率半导体模块的电极部的剖视图，其俯视图，以及采用功率半导体模块的电力变换装置的剖视图。
在本实施例中，与前述各实施例的不同之处在于，由于印刷电路板14，15可以拆装或插拔，在接插件的树脂构件9上设置插接式端子台26的同时，还在印刷电路板14，15上设置连接端子27。连接端子27与接插件的电极8以可拆装或插拔的插接方式进行电连接。插接式端子台26，在包覆电极8的朝向上方的部分的树脂构件9的部分中，由设置于连接端子27和电极8的连接部中的凹部构成。在凹部内设置有电极8与连接端子27的连接部。所以，连接端子27通过插入到凹部内，就可在固定度位置的同时与电极8进行电连接。因此，连接端子27和电极8之间电流的流动稳定。另外，因为金属基板3上的功率电路单元和印刷电路板14，功率半导体模块和印刷电路板15不是用焊锡连接的，所以可以防止由于连接部的应力所造成的可靠性降低，可以构成高可靠性的半导体模块及电力变换装置。另外，在将印刷电路板14设置于半导体模块的树脂壳体7内部之际，树脂25注入时不应该进入设置于接插件的树脂构件9上的插接式端子台26的内部，而应该注入到比端子台26低的位置。因此，印刷电路板14，15，由于很容易取出，所以在发生故障时，除了可以很容易更换印刷电路板之外，还可以提高有效利用率。所以，功率半导体模块及采用功率半导体模块的电力变换装置可以实现低价化。
图18为示出采用本发明的第9实施例的功率半导体模块的电力变换装置的剖视图，图19为其侧剖图。
在本实施例中，与前述各实施例的不同的第一点在于功率半导体模块的树脂壳体7与安装有构成树脂构件9及功率电路单元的功率半导体模块的金属基板3是通过模塑而一体成形的。接插件的树脂构件9与第8实施例一样具有插接式端子台26。此外，本实施例中的接插件的树脂构件9，具有在与金属基板3的上表面平行的水平方向上延伸到金属基板上表面外侧的水平部分，在位于与此水平部分垂直的方向上延伸的模塑树脂壳体7的外侧上的垂直部分上，设置有与第8实施例一样的插接式端子台26。树脂构件9的垂直部分在水平部分的下部一直延伸到金属基板3的下面为止。接插件利用粘接剂粘接到树脂构件9的水平部分的树脂壳体7内的端部的下表面和金属基板3的上表面。另外，在树脂构件的水平部分上露出设置于电极8上的键合用的焊盘10的表面。引线电极通过树脂构件9的水平部分及垂直部分从树脂壳体7的内部引出到外部。在本实施例中，因为可以根据上述这种接插件的形状利用塑模夹住树脂构件9的水平部分，易于将接插件夹在塑模之内，可防止在模塑时从塑模中有树脂漏出。另外，若改变接插件，即使不改变塑模，也可以改变功率半导体模块的引线电极的位置。于是，因为引线电极的设计自由度大，所以可以以低价实现容易定制化的功率半导体模块及电力变换装置。
图18及图19中的第8实施例与前述各实施例的第二不同点在于，因为接插件是利用模塑树脂固定于树脂壳体7中，可以简化接插件粘接到金属基板3的工序。在粘接工序中，只将少量粘接剂11涂布于接插件与金属基板3的连接面的一部分。即在粘接工序中，只要利用粘接剂将接插件和金属基板3临时粘接起来在模塑工序中两者的位置不要离开就可以，不需要很大的粘接强度。所以，因为在缩短粘接剂涂布工序的同时还可以减少使用量，可以实现低价的半导体模块及电力变换装置。
在图18及图19的第8实施例与前述各实施例的第三不同点在于，印刷电路板14由树脂25包覆，连接端子27凸出到树脂25的外部。可以说印刷电路板14成为与功率电路单元有别的一个模块，即控制模块。与图17的实施例一样，连接端子27在插接到插接端子台26固定位置的同时与引线电极进行电连接。于是，如果将内置功率电路单元的功率半导体模块通用化，将以树脂25包覆可拆装的印刷电路板14的控制电路模块设计成为多种规格，则容易实现电力变换装置的多品种化及系列化，可以实现电力变换装置的低价化。
图20为示出本发明的第10实施例的电力变换装置的剖视图。
在本实施例中，与图18的实施例的不同之处在于，安装有微处理器单元17及驱动功率半导体元件的驱动电路18的印刷电路板14与功率电路单元一起，用树脂壳体7进行模塑。此外，在本实施例中，接插件是利用粘接剂11粘接在印刷电路板14上。金属基板3上的功率电路单元和印刷电路板14上的电路是利用键合进行电连接。因为微处理器单元17及驱动功率半导体元件的驱动电路18是利用树脂壳体7进行模塑，不仅可以包封成为封装品，也可以封装裸片。根据本实施例，因为印刷电路板14不需要包覆，电力变换装置及功率半导体模块可以实现低价化。另外，通过使用裸片，因为微处理器单元17及驱动电路18等不需要单个以树脂包覆进行封装，印刷电路板14可在小型化的同时实现低价化。于是，就可能实现电力变换装置及功率半导体模块的小型化和低价化。
在上述各实施例的功率半导体模块及电力变换装置中，功率半导体元件可使用绝缘栅型双极晶体管，MOSFET，双极晶体管等各种功率半导体元件。
如上所述，根据本发明，可以在不受功率半导体模块壳体形状左右的情况下配置电极并提高功率半导体模块内外部的电路构成及安装的自由度，同时，还可实现电力变换装置的小型化、低价化及高可靠性。

Claims (18)

1.一种安装半导体元件的半导体模块，其特征在于：具有用与半导体模块的壳体分离的树脂构件包覆引线电极、设置有可以金属引线键合方式与所述引线电极连接的焊盘的接插件，该接插件的所述树脂构件与模块粘接起来。
2.如权利要求1的半导体模块，其特征在于：在所述引线电极的与和所述树脂构件的接触面相反的一面上设置焊盘。
3.如权利要求1的半导体模块，其特征在于：所述引线电极相对于所述焊盘表面弯曲。
4.如权利要求2的半导体模块，其特征在于：位于所述接触面和所述模块内的所述树脂构件的粘接部之间的所述树脂构件的厚度为1mm以上20mm以下。
5.如权利要求1的半导体模块，其特征在于：具有确定所述接插件在模块内的位置的装置。
6.如权利要求1的半导体模块，其特征在于：所述接插件是用来与承载电路部件连接的基板的接插件。
7.如权利要求1的半导体模块，其特征在于：还包括承载电路部件的基板，所述基板位于所述半导体元件上，且所述基板与所述接插件连接。
8.如权利要求7的半导体模块，其特征在于：所述基板与所述接插件以可拆装方式连接。
9.如权利要求1的半导体模块，其特征在于：
具有多个所述接插件，多个所述接插件包含第一接插件和高度比第一接插件更高的第二接插件，
还包括承载电路部件的基板，所述基板位于所述半导体元件上，所述基板与所述第一接插件连接。
10.如权利要求9的半导体模块，其特征在于：所述基板与所述第一接插件以可拆装方式连接。
11.一种电力变换装置，其特征在于：具有如权利要求1的半导体模块和承载电路部件的基板，所述基板位于所述半导体模块上，且所述基板与所述接插件连接。
12.一种电力变换装置，其特征在于包括：
权利要求9的半导体模块和承载电路部件的另一基板，
所述另一基板位于所述半导体模块上，且所述另一基板与所述第二接插件连接。
13.如权利要求12的电力变换装置，其特征在于：所述另一基板与所述第二接插件以可拆装方式连接。
14.一种半导体模块，其特征在于包括：
树脂壳体，
位于所述树脂壳体内的半导体元件，
与所述半导体元件连接，并引出到所述树脂壳体外部的引线电极，以及
承载电路部件的基板，且
所述基板位于所述半导体元件上，所述基板与所述引线电极以可拆装方式连接。
15.一种电力变换装置，其特征在于包括：
具有树脂壳体、位于所述树脂壳体内的半导体元件、与所述半导体元件连接，并引出到所述树脂壳体的外部的引线电极的半导体模块，以及
承载电路部件的基板，且
所述基板位于所述半导体模块上，所述基板与所述引线电极以可拆装方式连接。
16.如权利要求15的电力变换装置，其特征在于：所述树脂壳体是由对半导体元件进行模塑的树脂构成。
17.一种电力变换装置，其特征在于包括：
具有位于所述树脂壳体内的半导体元件，与所述半导体元件连接，引出到所述树脂壳体的外部的第一引线电极及高度比第一引线电极更高的第二引线电极的半导体模块，以及
承载电路部件的第一和第二基板，
所述第一基板位于所述半导体模块上，所述第一基板与所述第一引线电极以可拆装方式连接，
所述第二基板位于所述半导体模块上及所述第一基板上，所述第二基板与所述第二引线电极连接。
18.如权利要求17的电力变换装置，其特征在于：所述第一及第二基板分别与所述第一极第二引线电极以可拆装方式连接。
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