CN1961474B - 变换器装置 - Google Patents

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Abstract

提供进一步提高功率半导体器件的冷却效率，从而对应变换器装置的通电容量的提高/小型化，并且制造性良好的变换器装置。具备构成变换器的1个臂的半导体芯片，与该半导体芯片的正极侧接合的第1导体(33)，和与该半导体芯片的负极侧接合的第2导体(35)，以所述半导体芯片的正极例电极与所述第1导体(33)的接合面以及所述半导体芯片的负极侧电极与所述第2导体(35)的接合面，相对于冷却所述半导体芯片的冷却器(22)的表面分别是非平行的方式，将所述第1导体(33)以及所述第2导体(35)配置在所述冷却器(22)的上方。

Description

变换器装置
技术领域
本发明涉及具有多个功率半导体器件、驱动功率半导体器件的驱动电路、和控制功率半导体器件的控制电路的变换器装置，特别是涉及适合用于电动汽车的、小型的、冷却效率良好且信赖性较高的变换器装置。
背景技术
在电动汽车中，要求功率半导体器件以及使用它的变换器装置的小型化、高信赖性化。为了谋求功率半导体器件以及变换器装置的小型化、高信赖性化，便必须提高功率半导体器件以及变换器装置的冷却效率。
以下，用图7～图9说明以往的一般的变换器装置，用图10～图11说明与该一般的变换器装置相比提高了冷却效率的公知的变换器装置的主要部分。
图7是以往的一般的变换器装置的平面剖面图，图8是其侧面剖面图，图9是展示将功率半导体器件安装在该变换器装置上的样态的主要部分剖面图。
在图7以及图8中，变换器装置具备相对于变换器装置筐体1的底面用安装螺钉3安装的功率半导体器件2，固定在固定台5上的作为电源平滑用电容器的铝电解电容器4，检测3相输出导体91～93的电流的电流检测器101～102以及控制单元11。
功率半导体器件2和铝电解电容器4由正极侧导体7以及负极侧导体8和连接螺钉6电连接在一起。另外，在变换器装置框体1的底面上设有流道13，由流过流道13内部的制冷剂12将功率半导体器件2冷却。制冷剂12例如是防冻溶液等。
另外，功率半导体器件2如图9所示，是在流道13的上部安装了散热用金属板14，在该散热用金属板14的上部接合有绝缘基板15，在该绝缘基板15的上部接合有金属电极16，在该金属电极16的上部接合有IGBT171以及二极管181的层叠结构。该IGBT171、二极管181、金属电极16以及绝缘基板15通常收纳在具有绝缘性的树脂制封装内，然后将该树脂制封装与散热用金属板14粘接在一起。再者，在树脂制封装的内部封入了绝缘性的凝胶。
进而，在功率半导体器件2的散热用金属板14的背面涂布有导热润滑脂19。利用该导热润滑脂19，降低在用安装螺钉3将功率半导体器件2安装在设置了流道13的变换器装置筐体1的底面上时的接触热阻。
当使以这种方式构成的功率半导体器件2工作时，在将IGBT171以及二极管181通电时产生热损失。由于在收容IGBT171以及二极管181的树脂制封装的内部如上述那样封入了作为绝热材料的绝缘性的凝胶，因此在IGBT171以及二极管181上产生的热的大部分传递到设在IGBT171以及二极管181的下部的金属电极16。传递到该金属电极16的热经由绝缘基板15传递到散热用金属板14。由于散热用金属板14如已经叙述的那样如图7～图9所示，用安装螺钉3经由导热润滑脂19加压接触在变换器装置筐体1的底面上，因此在IGBT171以及二极管181上产生的热便由制冷剂12散热。
在上述以往的变换器装置中存在以下的问题点。
第1，在以往的变换器装置中，由于用存在于功率半导体器件2的周围的安装螺钉3，使散热用金属板14加压接触在构成有流道13的变换器装置筐体1的底面上，因此加压力主要集中在安装螺钉3的周围，没有均等地施加在散热用金属板14整体上。因此，虽然说在散热用金属板14的背面涂布有用于降低接触热阻的导热润滑脂19，但不能从散热用金属板14的背面整体向流道13均匀地导热。并且，由于设在IGBT171的下部的绝缘基板15的厚度较薄，因此不能使在IGBT171上产生的热在绝缘基板15的内部充分地进行热扩散。因此，散热用金属板14和变换器装置筐体1之间的接触热阻变得非常大，大致与功率半导体器件2内部的热阻同等程度，冷却效率较差。
第2，由于设在IGBT171的下部的绝缘基板15的厚度较薄，因此热时常数(热容)较小，其结果，由于IGBT171或二极管181的温度上升变大，因此特别是在出现问题的变换器起动时，过渡热阻变大，不能缓和温度上升较大的问题。
在特开2003-153554号公报中提出了解决以上叙述的一般的变换器装置的问题点，并提高了冷却效率的变换器装置。用图10以及图11说明该特开2003-153554号公报所公开的变换器装置。
图10是特开2003-153554号公报所记载的变换器装置的、特别展示功率半导体器件内部的半导体芯片的安装结构的部分纵剖面图，图11是该变换器装置的功率半导体器件的部分立体图。
在图10所示的变换器装置中，将多个作为半导体芯片的IGBT171以及二极管181并列连接而构成3相变换器的1个臂，将这些半导体芯片设为平面形状为正方形，并将该正方形的一边的长度设为小于等于10mm，进而，将这些半导体芯片接合在厚度大于等于1.5mm小于等于5mm的导体20上，并用含有陶瓷的绝缘树脂片23将所述导体20粘接在冷却器22上。
另外，如图11所示，在所述特开2003-153554号公报所记载的变换器装置中，对于3相变换器的各臂，假设具有图10所示的半导体芯片的安装结构，然后将构成W相的上侧臂的4个并联连接的IGBT171A～171D以及2个并联连接的二极管181A～181B，与构成3相变换器的上侧臂的上侧臂导体25配置成1列。同样地将构成3相变换器的W相的下侧臂的4个并联连接的IGBT172A～172D以及2个并联连接的二极管182A～182B，与构成3相变换器的下侧臂的下侧臂导体26配置成1列。进而，在上侧臂导体25以及下侧臂导体26之间，配置有连接配置在上侧臂导体25上的IGBT171A～171D以及二极管181A～181B和3相输出端子32的3相输出导体27。在图11所示的例子中，下侧臂导体26和3相输出导体27由同样的导体构成。进而，在上侧臂导体25以及下侧臂导体26之间，配置有连接配置在下侧臂导体26上的IGBT172A～172D以及二极管182A～182B和负极端子31的负极导体28。IGBT以及二极管和各导体之间由键合线29电连接在一起。
在图10～图11所示的特开2003-153554号公报所记载的变换器装置中，将接合在导体20和上侧臂25以及下侧臂26上的IGBT171A～171D以及二极管181A～181C，相对于冷却器22用绝缘树脂片23直接并且正面地粘接.因而，图9所示的以往的一般的功率半导体器件那样的与冷却器的接触部的接触热阻消失了，功率半导体器件内部的IGBT以及二极管芯片的热阻减半.进而，由于将IGBT171A～171D以及二极管181A～181C接合在厚度大于等于1.5mm小于等于5mm的导体20和上侧臂导体25以及下侧臂导体26上，因此通过导体20和上侧臂导体25以及下侧臂导体26的热容的效果，热时常数变大，过渡热阻变小，变换器起动时的温度上升变小.故冷却效率提高，并可以谋求变换器装置的小型化.
在特开2003-153554号公报所记载的变换器装置中，虽然可以得到功率半导体器件内部的IGBT以及二极管芯片的热阻减半，变换器起动时的温度上升变小的效果，但却存在以下其他的问题点。
首先，由于多个并联连接的IGBT或二极管芯片的主电路布线通过引线键合法被电布线，因此在将多条键合线布线时花费时间，制造时间延长。
另外，即便想谋求进一步的冷却效率的提高，在构造方面受到限制，很难实现更进一步的冷却效率的提高。
发明内容
于是，本发明是有利地解决上述问题的发明，其目的在于提供进一步提高功率半导体器件的冷却效率，从而对应变换器装置的通电容量的提高/小型化，并且制造性良好的变换器装置。
为了达成上述目的，第1项发明，具备构成变换器的1个臂的半导体芯片、与该半导体芯片的正极侧接合的第1导体、和与该半导体芯片的负极侧接合的第2导体，其特征在于：以使所述半导体芯片的正极侧电极与所述第1导体的接合面以及所述半导体芯片的负极侧电极与所述第2导体的接合面分别不与冷却所述半导体芯片的冷却器的表面平行的方式，将所述第1导体和所述第2导体配置在所述冷却器上。
第2项发明，其特征在于，所述第1导体以及所述第2导体，隔着含有陶瓷的绝缘树脂片被粘接固定在所述冷却器上。
第3项发明，其特征在于，在第1导体上设置了用绝缘树脂片绝缘的输入输出端子。
第4项发明，其特征在于，用键合线连接所述半导体芯片和所述输入输出端子，并且在所述第2导体上设置了可以将所述键合线布线的缺口部。
第5项发明，其特征在于，在从所述半导体芯片看与所述冷却器相反的一侧的第1导体以及第2导体的正上方，设置了控制/驱动基板。
本发明的变换器装置，由于IGBT以及二极管等半导体芯片的冷却效率进一步提高，热阻低，并且，没有通过引线键合法将半导体芯片和导体连接在一起，因此制造时间较短，并且制造合格率高，功率半导体器件的信赖性高，因而可以实现变换器装置的通电容量的提高/小型化/信赖性提高。
附图说明
图1是展示本发明的第1～2实施方式的变换器装置的、特别是3相变换器的W相上臂的功率半导体器件的安装结构的部分立体图。
图2是图1的分解立体图。
图3是对本发明的第1～2实施方式的变换器装置特别展示将3相变换器的U、V、W相的功率半导体器件安装在冷却器上的结构的立体图。
图4是展示在将本发明的第1～2实施方式的变换器装置通电时，表示由半导体芯片产生的热损失的散热路径的热流通量的解析结果的图。
图5是展示将本发明的第1～2实施方式的变换器装置通电时的半导体芯片的过渡热阻的解析结果的曲线图。
图6是本发明的第5实施方式的变换器装置的、特别展示功率半导体器件和控制/驱动基板的连接的图。
图7是以往的一般的变换器装置的平面剖面图。
图8是图7的变换器装置的侧面剖面图。
图9是以往的变换器装置的功率半导体器件的内部部分剖面图。
图10是特开2003-153554号公报所记载的变换器装置的、特别展示功率半导体器件内部的半导体芯片的安装结构的部分纵剖面图。
图11是特开2003-153554号公报所记载的变换器装置的功率半导体器件的部分立体图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
(第1以及第2实施方式)
用图1～图5说明本发明的第1以及第2实施方式。
图1是对本发明的第1以及第2实施方式的变换器，特别是关于适用于3相变换器的W相上臂的例子，是展示功率半导体器件的安装结构的部分立体图。图2是图1的分解立体图。
图3是对本发明的第1以及第2实施方式的变换器装置特别展示将3相变换器的U、V、W相的功率半导体器件安装在冷却器上的结构的立体图。
图4是展示在将本发明的第1以及第2实施方式的变换器装置通电时，由半导体芯片产生的热的散热路径的热流通量的解析结果的图。
图5是展示本发明的第1以及第2实施方式的变换器装置的半导体芯片的过渡热阻的解析结果的曲线图。
在图1以及图2中，变换器装置的3相变换器的W相的上臂是通过将作为半导体芯片的IGBT171A～D以及二极管181A～C并联连接而构成的，其中半导体芯片是平面形状为正方形并且其一边的尺寸长度小于等于10mm。在图1以及图2中，例示了IGBT并列4个、二极管并列3个的情况。
如图2的分解立体图所示，将构成3相变换器的W相上臂的4个并联连接的IGBT171A～D以及3个并联连接的二极管181A～C，在构成3相变换器的W相上臂的第1W相上臂导体33上配置成1列，然后经由热缓冲板34接合其集电极侧(即，正极侧)。另外，经由热缓冲板34将第2W相上臂导体35接合在IGBT171A～D以及3个并联连接的二极管181A～C的发射极侧(即，负极侧)。
第1W相上臂导体33以及第2W相上臂导体35的材质，从后述的半导体芯片的冷却作用的观点来看最好是铜，但也可以是铝等其他的金属，或Al-SiC等金属基复合材料。
热缓冲板34的材质，是具有作为IGBT171A～D以及二极管181A～C的材质的Si、和第1W相上臂导体33以及第2W相上臂导体35的材质的大致中间的线膨胀系数的材质，例如是Mo等低热膨胀金属材料.热缓冲板34特别是在需要长寿命的情况下必须设置.
IGBT171A～D或二极管181A～C与热缓冲板34的接合，和第1W相上臂导体33或第2W相上臂导体35与热缓冲板34的接合，可以用例如Sn/Pb等低熔点焊锡或例如Sn/Ag/Cu等高熔点焊锡接合，但也可以用例如银膏等导电性粘接剂接合。
进而，如图3所示，关于第1W相上臂导体33以及第2W相上臂导体35，以使IGBT171A～D以及二极管181A～C的正极侧(集电极侧)电极以及负极侧(发射极侧)电极的接合面相对于冷却器32的表面垂直的方式，将相对于这些第1W相上臂导体33以及第2W相上臂导体35的所述接合面垂直的面(底面)，用含有陶瓷的W相绝缘树脂片36粘接在冷却器22上。这样，以使设置了IGBT171A～D以及二极管181A～C的正极侧电极以及负极侧电极的两个表面延长的面相对于冷却器22的表面正交的状态，通过向第1W相上臂导体33以及第2W相上臂导体35的导热冷却IGBT171A～D以及二极管181A～C。
W相绝缘树脂片36例如是在绝缘树脂中填充了氮化硼等陶瓷填料的薄片，热传导率是2～4W/mK，厚度是0.05～0.15mm左右。
进而，在第2W相上臂导体35的旁边，以确保一定的绝缘距离的方式配置接合有构成W相的下臂的IGBT以及二极管的第1W相下臂导体37以及第2W相下臂导体38，以与上臂相同的结构粘接在W相绝缘树脂片36上。
在第1W相上臂导体33上连接有W相正极端子39，在第2W相上臂导体35以及第1W相下臂导体37上连接有W相输出端子41，在第2W相下臂导体38上连接有W相负极端子40。
在冷却器22上，V相绝缘树脂片42以及U相绝缘树脂片43也和W相绝缘树脂片36分开一定的距离地被粘接在一起，各个绝缘树脂片上的功率半导体器件的结构与W相完全相同。
图1以及图2所示的IGBT171以及二极管181的材质是Si，在将与这些半导体芯片接合的第1W相上臂导体33以及第2W相上臂导体35的材质为铜时，该IGBT以及二极管和导体的线膨胀系数不同。这时，由于负载因变换器装置的工作以及停止而从IGBT产生的热的温度循环，因此对于经由热缓冲板34接合IGBT或二极管和导体的焊锡而言，产生剪切应力，并出现非线形变形。一旦该非线形变形的值变大，经过一段时间后有可能在焊锡上出现裂纹等。为了提高变换器装置的信赖性/耐久性，特别是在没有设置热缓冲板34的情况下，和即便在设置了热缓冲板34的情况下，为了进一步提高信赖性/·耐久性，最好缩小非线形变形的值。在此，如果IGBT171以及二极管181的芯片尺寸变大，焊锡的非线形变形增大。为了确保变换器装置的信赖性/耐久性，便必须将从平面看的芯片尺寸设为大致其一边的长度为小于等于10mm。
另一方面，如果关于IGBT171以及二极管181的芯片尺寸如上述那样将其一边的长度设为小于等于10mm，由于每1个芯片的通电容量变小，因此用单一的芯片构成作为电动汽车用的数10kW的变换器装置，便会容量不足。于是，为了构成这样的电动汽车用的变换器装置，便必须有多个芯片的并联连接。
另外，特别是为了降低变换器起动时的温度上升，并通过所述各导体的热扩散的效果降低稳态热阻，关于W·V·U各相，第1导体以及第2导体的与冷却器22粘接的面(底面)的各面积，必须与图11所示的特开2003-153554号公报所记载的将上侧臂导体25以及下侧臂导体26和冷却器22粘接的面的面积相同.
以下说明第1以及第2实施方式的变换器装置的作用效果。
图4是将变换器装置通电时作为在作为半导体芯片的IGBT171A上产生的热损失的热被传递到冷却器22并被冷却时的、热的流动，作为稳态的热流通量的解析结果而展示的图，是图1的IV-IV剖面上的解析结果。
另外，图5是比较图7～图9所示的以往的一般的功率半导体器件，图10～图11所示的特开2003-153554号公报所记载的功率半导体器件、和本发明的变换器装置的功率半导体器件的半导体芯片的过渡热阻的解析结果。再者，在图4以及图5的解析中，第1导体以及第2导体的材质是铜。
在特开2003-153554号公报所记载的图11的功率半导体器件中，由于键合线非常细并且热阻非常大，因此在IGBT172A上产生的热损失，大致全都传递给下侧臂导体26，并被冷却器22散热。
与此相对，在本发明的变换器装置的功率半导体器件中，如图4中用箭头表示热流通量那样，在IGBT172A上产生的热，通过其接合面，大约一半传递给第1W相上臂导体33，剩下的大约一半传递给第2W相上臂导体35，进而传递给冷却器22并被冷却。正如从图4所明白的那样，根据本实施方式的结构，IGBT以及二极管从正极侧的面以及负极侧的面这两面，被具有较大的热容的导体冷却。
这样，在本发明中，由于IGBT被第1导体以及第2导体两面冷却，因此冷却效率较高。如果用图5的曲线图表示它，10～20sec的稳态热阻，与特开2003-153554号公报所记载的图11的功率半导体器件相比，大约被降低了40％。进而，在变换器起动时出现问题的0.1～0.3sec的过渡热阻，通过由第1导体以及第2导体进行的半导体芯片的两面冷却以及这些导体的热容的效果，与特开2003-153554号公报所记载的图11的功率半导体器件相比，也降低了约50％。
另外，在用于本发明的变换器装置的功率半导体器件中，由于只要用焊锡分别接合IGBT以及二极管和第1导体以及第2导体，主电路的电布线便完成了，因此不需要如图11所示的特开2003-153554号公报所记载的功率半导体器件那样将多条键合线布线的工序，可以缩短制造时间。
进而，在用于本发明的变换器装置的功率半导体器件中，由于通过正极侧的第1导体以及负极侧的第2导体将IGBT以及二极管布线，因此流过第1导体以及第2导体的电流的方向相反，寄生在布线上的布线电感与以往的一般的半导体器件以及特开2003-153554号公报所记载的功率半导体器件相比变得非常小。
如以上所叙述的那样，在本发明的第1以及第2实施方式的图1～图5所示的变换器装置中，功率半导体器件内部的IGBT以及二极管芯片的热阻进一步降低，IGBT以及二极管芯片的温度上升在变换器起动时以及稳态这两种情况下都变低，冷却效率提高。进而，功率半导体器件内部的布线电感变得非常小。由此，可以谋求变换器装置的信赖性提高/小型化，同时功率半导体器件的制造合格率也提高。
再者，在图1～图5所示的变换器装置中，虽然以IGBT171A～D以及二极管181A～C的与正极侧(集电极侧)电极以及负极侧(发射极侧)电极的接合面相对于冷却器22的表面垂直的方式，配置第1W相上臂导体33以及第2W相上臂导体35，但本发明的变换器装置不限于将上述接合面与冷却面的表面配置成垂直方向.只要将上述接合面与冷却面的表面非平行地配置，然后将半导体芯片配置在通过第1导体以及第2导体进行两面冷却的方向上即可，与角度无关.
(第3～4实施方式)
其次，用图2说明本发明的第3～4实施方式。
在图2所示的功率半导体器件中，将栅极端子以及读出端子等输入输出端子45，用与W相绝缘树脂片36同样的输入输出端子绝缘树脂片44粘接安装在第1W相上臂导体33上。然后，用键合线29将IGBT171A～D和栅极端子以及读出端子等输入输出端子45连接在一起。进而，在第2W相上臂导体35上设有布线用缺口部46，可以将键合线29布线。
图2所示的功率半导体器件的制造方法，是最初用输入输出端子绝缘树脂片44将输入输出端子45粘接安装在第1W相上臂导体33上。其次，用焊锡或导电性粘接剂，将第1W相上臂导体33、以及IGBT171A～D以及二极管181A～C、以及热缓冲板34以及第2W相上臂导体35接合在一起。最后，如图1所示，利用布线用缺口部46的空间，用键合线29连接输入输出端子45和IGBT171A～D。
其他的构成与第1～2实施方式相同。
在图2所示的结构的变换器装置中，在图1所示的半导体器件的制造结束之后，在将该半导体器件粘接在冷却器上之前，可以利用输入输出端子进行用于分辨半导体芯片的不良的电特性检查，可以在制造过程中去掉不良品，提高制造合格率。
(第5实施方式)
用图6说明本发明的第5实施方式。
图6是展示本发明的第5实施方式的变换器装置的、特别是功率半导体器件和控制/驱动基板的连接的图。
在图6的功率半导体器件中，将用于控制/驱动半导体芯片的控制·驱动基板47设在从作为半导体芯片的IGBT以及二极管看，成为与冷却器22相反侧的第1W相上臂导体33以及第2W相上臂导体35的正上方，并与输入输出端子45连接在一起。其他的构成与第1～4实施方式相同。
在以往公知的半导体器件中，在尝试将半导体芯片进行两面冷却时，控制·驱动基板和输入输出端子的连接容易变复杂并且变长。但是，通过采用本发明的功率半导体器件的结构，由于输入输出端子45被以最短地输出到与冷却器22相反的一侧的上部，因此既能够高效率地在两面冷却半导体芯片，又能够使控制·驱动基板和输入输出端子的布线变为最短。
在图6那样的结构的变换器装置中，由于控制·驱动基板和输入输出端子的布线最短，因此可以大幅度降低由噪音导致的误动作等，信赖性提高。

Claims (4)

1.一种变换器装置，具备构成变换器的1个臂的半导体芯片、与该半导体芯片接合的第1导体和第2导体、以及用于冷却所述半导体芯片的冷却器，其特征在于：
所述第1导体与所述半导体芯片的正极侧电极接合，
所述第2导体与所述半导体芯片的负极侧电极接合，
以使所述半导体芯片与所述第1导体和所述第2导体的接合面不与冷却器的表面平行的方式，所述第1导体和所述第2导体配置在所述冷却器上，
所述第1导体以及所述第2导体隔着含有陶瓷的绝缘树脂片被粘接固定在所述冷却器上。
2.如权利要求1所述的变换器装置，其特征在于，在所述第1导体上还设置了用绝缘树脂片绝缘的输入输出端子。
3.如权利要求2所述的变换器装置，其特征在于，用键合线连接所述半导体芯片和所述输入输出端子，
并且在所述第2导体上设置了能够将所述键合线布线的缺口部。
4.如权利要求1所述的变换器装置，其特征在于，从所述半导体芯片看，在与所述冷却器相反的一侧的第1导体以及第2导体的正上方，设置了用于控制和驱动半导体芯片的控制/驱动基板。
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