專利名稱：功率模塊及其制造方法和空調(diào)機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種進行電力轉(zhuǎn)換的功率模塊(power module)及其制造方法。另外，本發(fā)明也涉及一種搭載有功率模塊的空調(diào)機。
背景技術：
一般，功率模塊主要由下列部分構成安裝有功率半導體等發(fā)熱比較大的芯片的功率半導體安裝基板；安裝有微型計算機等發(fā)熱比較小的IC芯片的非功率半導體安裝基板；以及主要用于冷卻功率半導體的冷卻部(例如散熱片等)(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1日本特開2004-111619號公報但是，通常，作為功率半導體安裝基板，由于需要將由功率半導體產(chǎn)生的大量熱散出到系統(tǒng)外部，所以采用具有高導熱性的鋁制的基板或陶瓷制的基板等。另一方面，作為非功率半導體安裝基板，由于沒有安裝像功率半導體那樣發(fā)熱量大的半導體，所以采用玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂這樣的樹脂制的基板等。通常，鋁制或陶瓷制等的安裝基板比樹脂制的安裝基板昂貴，這是導致功率模塊的成本上升的主要原因。另外，在這兩種安裝基板上分開安裝功率半導體和非功率半導體導致制造功率模塊時的人事費用和設備費用的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的課題在于提供一種能夠?qū)⒅圃斐杀疽种频幂^低的功率模塊。
本發(fā)明第1方面的功率模塊具備功率半導體、非功率半導體、一塊樹脂基板和冷卻單元。此外，這里所說的“功率半導體”例如是二極管和功率晶體管等。另外，這里所說的“非功率半導體”例如是微型計算機和ROM(Read Only Memory只讀存儲器)等。另外，這里所說的“樹脂基板”例如是僅用樹脂制造的基板、用纖維強化塑料制造的基板以及其他由分散有粉末等的樹脂制造的基板等，并且是至少在單面或在內(nèi)部形成有電路圖案的基板。順便說一下，在這種樹脂基板中，特別優(yōu)選的是在兩面形成有電路圖案的兩面樹脂基板、和多個電路與絕緣層(樹脂層)在板厚方向交替地層疊的層疊樹脂基板等。功率半導體和非功率半導體構成用于進行電力轉(zhuǎn)換的電源電路。在樹脂基板上安裝有功率半導體與非功率半導體這兩者。冷卻單元是為了冷卻功率半導體而設置的。
在將功率半導體所產(chǎn)生的熱通過散熱片排出的類型的功率模塊中，通常通過將氣溫或比該氣溫高出幾十攝氏度的溫度的風供給到散熱片，來把功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。在采用這種散熱方法的情況下，在功率模塊中，為了確保充分的散熱性，作為用于安裝功率半導體的基板，需要鋁基板或陶瓷基板等具有高導熱性的基板。
但是，在本發(fā)明的功率模塊的冷卻單元中，如果利用例如溫度低于通常溫度的冷卻介質(zhì)(可以是氣體，也可以是液體)等，則即使采用低導熱性的樹脂基板作為功率半導體的安裝基板，也能夠充分地將功率半導體所產(chǎn)生的熱從功率模塊排出。當然，這時的冷卻介質(zhì)的溫度需要根據(jù)功率半導體所產(chǎn)生的熱量或樹脂基板的厚度適當?shù)剡M行變更。在這樣的前提下，在該功率模塊中，可以把功率半導體和非功率半導體安裝在一塊樹脂基板上。因此，在該功率模塊中，作為用于安裝功率半導體的基板，不需要采用高成本的鋁基板或陶瓷基板等。其結果是，在制造該功率模塊時，能夠削減基材的原料成本、人事費用以及設備費用等。因此，該功率模塊能夠以低制造成本進行制造。
本發(fā)明第2方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第1方面的功率模塊中，冷卻單元是冷卻流體通路。該冷卻流體通路使冷卻流體通過。此外，這里所說的“冷卻流體”是用于使功率半導體冷卻的流體，例如是空氣及其他氣體類或水及其他液體類(例如封入冷凍裝置的制冷劑回路中的制冷劑等)。此外，該冷卻流體通路配置在樹脂基板的功率半導體和非功率半導體的安裝面的相反側(cè)。另外，這里所說的“安裝面”也可以有階梯差。
在該功率模塊中，功率半導體所產(chǎn)生的熱通過流經(jīng)冷卻流體通路的冷卻流體排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。因此，在該功率模塊中，如果冷卻流體維持在適當?shù)臏囟?，則即使采用低導熱性的樹脂基板作為功率半導體的安裝基板，也能將功率半導體所產(chǎn)生的熱充分地從功率模塊排出。另外，在將該功率模塊搭載于空調(diào)機中的情況下，作為冷卻流體，可以利用流經(jīng)制冷劑回路的制冷劑，是很經(jīng)濟的。
本發(fā)明第3方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第2方面的功率模塊中，冷卻流體通路設置在樹脂基板的內(nèi)部。
在該功率模塊中，冷卻流體通路設置在樹脂基板的內(nèi)部。因此，在該功率模塊中，能夠縮短冷卻流體通路與功率半導體的距離。從而，在該功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
本發(fā)明第4方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第2方面或第3方面的功率模塊中，還具備溫度檢測單元和溫度控制單元。溫度檢測單元檢測功率半導體或其附近的溫度。溫度控制單元對冷卻流體的溫度進行控制，以使溫度檢測單元中檢測的溫度成為預定溫度。
在該功率模塊中，溫度檢測單元檢測功率半導體或其附近的溫度。另外，溫度控制單元對冷卻流體的溫度進行控制，以使溫度檢測單元中檢測的溫度成為預定溫度。因此，在該功率模塊中，能夠適當?shù)鼐S持冷卻流體的溫度。
本發(fā)明第5方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第2方面至第4方面的任一功率模塊中，功率半導體與冷卻流體通路之間的最短距離比非功率半導體與冷卻流體通路之間的最短距離短。
在該功率模塊中，功率半導體與冷卻流體通路之間的最短距離比非功率半導體與冷卻流體通路之間的最短距離短。因此，在該功率模塊中，與由非功率半導體產(chǎn)生的熱相比，能夠?qū)⒐β拾雽w所產(chǎn)生的熱更高效地排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
本發(fā)明第6方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第1方面至第5方面的任一功率模塊中，樹脂基板中安裝功率半導體的部分的厚度比安裝非功率半導體的部分的厚度薄。
在該功率模塊中，樹脂基板中安裝功率半導體的部分的厚度比安裝非功率半導體的部分的厚度薄。因此，在該功率模塊中，與非功率半導體相比，功率半導體更接近冷卻流體通路。因此，在該功率模塊中，與由非功率半導體產(chǎn)生的熱相比，能夠?qū)⒐β拾雽w所產(chǎn)生的熱更有效地排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。另外，非功率半導體與功率半導體配置在不同高度，所以不易受到功率半導體所產(chǎn)生的熱的影響。
本發(fā)明第7方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第5方面或第6方面的功率模塊中，樹脂基板由在板厚方向上層疊的多個層疊單位體構成。另外，安裝功率半導體的部分的厚度和安裝非功率半導體的部分的厚度通過層疊單位體各自的形狀來調(diào)節(jié)。
在該功率模塊中，樹脂基板由在板厚方向上層疊的多個層疊單位體構成。另外，安裝功率半導體的部分的厚度和安裝非功率半導體的部分的厚度通過層疊單位體的形狀來調(diào)節(jié)。因此，在該功率模塊中，不需要進行復雜的機械加工，就能制造出復雜形狀的樹脂基板。
本發(fā)明第8方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第1方面至第7方面的任一功率模塊中，功率模塊還具備熱擴散部。熱擴散部用于至少使功率半導體所產(chǎn)生的熱進行擴散。此外，這里所說的“熱擴散部”例如是熱擴散器、熱通路、導熱性填料和導熱性薄片等。
在該功率模塊中還備有熱擴散部。因此，在該功率模塊中，能夠?qū)⒐β拾雽w所產(chǎn)生的熱更高效地排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
本發(fā)明第9方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第8方面的功率模塊中，功率模塊還具備電絕緣層。電絕緣層配置在熱擴散部與冷卻流體通路之間。另外，這里所說的“電絕緣層”既可以是電絕緣薄片，也可以是粘結劑等，還可以是多層樹脂基板的樹脂層的一部分。
在該功率模塊中，電絕緣層配置在熱擴散部與冷卻流體通路之間。因此，在該功率模塊中，能夠有效地防止放電。
本發(fā)明第10方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第8方面或第9方面的功率模塊中，熱擴散部包括熱擴散器。熱擴散器配置在功率半導體與樹脂基板的安裝面之間。
在該功率模塊中，熱擴散器配置在功率半導體與樹脂基板的安裝面之間。因此，在該功率模塊中，能夠高效地處理功率半導體所產(chǎn)生的熱。
本發(fā)明第11方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第8方面至第10方面的任一功率模塊中，熱擴散部包括熱通路。熱通路沿著與樹脂基板的板面交叉的方向設置在樹脂基板的內(nèi)部。另外，該熱通路優(yōu)選設置在與樹脂基板的板面正交的方向。
在該功率模塊中，熱通路沿著與樹脂基板的板面交叉的方向設置在樹脂基板的內(nèi)部。因此，在該功率模塊中，能夠提高樹脂基板內(nèi)部的導熱性。從而，在該功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
本發(fā)明第12方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第8方面至第11方面的任一功率模塊中，熱擴散部包括導熱性填料。導熱性填料分散混合在樹脂基板的樹脂部中。另外，這里所說的“導熱性填料”例如是具有絕緣性的陶瓷粉末等。
在該功率模塊中，導熱性填料分散混合在樹脂基板的樹脂部中。因此，在該功率模塊中，能夠提高樹脂基板內(nèi)部的導熱性。從而，在該功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
本發(fā)明第13方面的功率模塊形成為，在本發(fā)明第4方面至第8方面的任一功率模塊中，熱擴散部包括導熱性薄片。導熱性薄片埋設在樹脂基板的樹脂部中。另外，這里所說的“導熱性薄片”例如是具有絕緣性的陶瓷板(ceramic plate)等。
在該功率模塊中，導熱性薄片埋設在樹脂基板的樹脂部中。因此，在該功率模塊中，能夠提高樹脂基板內(nèi)部的導熱性。從而，在該功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
本發(fā)明第14方面的功率模塊具備功率半導體、非功率半導體、一塊安裝基板和冷卻單元。此外，這里所說的“功率半導體”例如是二極管和功率晶體管等。另外，這里所說的“非功率半導體”例如是微型計算機和ROM(Read Only Memory)等。另外，這里所說的“樹脂基板”例如是僅用樹脂制造的基板、用纖維強化塑料制造的基板以及其他由分散有粉末等的樹脂制造的基板等，并且是至少在單面或在內(nèi)部形成有電路圖案的基板。順便說一下，在這種樹脂基板中，特別優(yōu)選的是在兩面形成有電路圖案的兩面樹脂基板、和多個電路與絕緣層(樹脂層)在板厚方向上交替層疊的層疊樹脂基板等。功率半導體和非功率半導體構成用于進行電力轉(zhuǎn)換的電源電路。在安裝基板上安裝有功率半導體與非功率半導體這兩者。此外，該安裝基板的板厚方向的導熱率是10W/(m·K)以下。冷卻單元是為了冷卻功率半導體而設置的。
在將功率半導體所產(chǎn)生的熱通過散熱片排出的類型的功率模塊中，通常通過將氣溫或比該氣溫高出幾十攝氏度的溫度的風供給到散熱片，來把功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。在采用這種散熱方法的情況下，在功率模塊中，為了確保充分的散熱性，作為用于安裝功率半導體的基板，需要采用鋁基板或陶瓷基板等具有高導熱性的基板。
但是，在本發(fā)明的功率模塊的冷卻單元中，如果利用例如溫度低于通常溫度的冷卻介質(zhì)(可以是氣體，也可以是液體)等，則即使采用導熱率是10W/(m·K)以下的低導熱性的安裝基板作為功率半導體的安裝基板，也能夠充分地將功率半導體所產(chǎn)生的熱從功率模塊排出。當然，這時的冷卻介質(zhì)的溫度需要根據(jù)功率半導體所產(chǎn)生的熱量或樹脂基板的厚度進行變更。在該前提下，在該功率模塊中，可以把功率半導體和非功率半導體安裝在一塊低導熱率的安裝基板上。通常，導熱率是10W/(m·K)以下的低導熱性的安裝基板利用樹脂或纖維強化塑料等制造，存在很多與鋁基板和陶瓷基板等相比價格低廉的材料。從而，在制造該功率模塊時，能夠削減基材的原料成本、人事費用以及設備費用等。因此，該功率模塊能夠以低制造成本進行制造。
本發(fā)明第15方面的空調(diào)機具備制冷劑回路和功率模塊。功率模塊具有功率半導體、非功率半導體、一塊樹脂基板和制冷劑通路。功率半導體和非功率半導體構成用于進行功率轉(zhuǎn)換的電源電路。在樹脂基板上安裝有功率半導體和非功率半導體兩者。制冷劑通路是用于使流到制冷劑回路的制冷劑通過的通路，其配置在樹脂基板的功率半導體和非功率半導體的安裝面的相反側(cè)。
通常在空調(diào)機中采用通過散熱片將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出的類型的功率模塊，在這樣的功率模塊中，一般來說，通過將氣溫或比該氣溫高出幾十攝氏度的溫度的風供給到散熱片，從而將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。在采用這種散熱方法的情況下，在功率模塊中，為了確保充分的散熱性，作為用于安裝功率半導體的基板，需要采用鋁基板或陶瓷基板等具有高導熱性的基板。
但是，在空調(diào)機的制冷劑回路中，存在制冷劑的溫度足夠低的部位，如果能夠使這樣的制冷劑流經(jīng)功率模塊的制冷劑通路，則即使采用低導熱性的樹脂基板作為功率半導體的安裝基板，也能夠?qū)⒐β拾雽w所產(chǎn)生的熱從功率模塊充分地排出。當然，這時的冷卻介質(zhì)的溫度依賴于功率半導體所產(chǎn)生的熱量和樹脂基板的厚度。在該前提下，在該空調(diào)機的功率模塊中，可以把功率半導體和非功率半導體安裝在一塊樹脂基板上。因此，在該空調(diào)機的功率模塊中，作為用于安裝功率半導體的基板，沒有必要采用高成本的鋁基板或陶瓷基板等。其結果是，在制造該功率模塊時，能夠削減基材的原料成本、人事費用以及設備費用等。因此，該功率模塊能夠以低制造成本進行制造。進而，也能降低空調(diào)機的制造成本。
本發(fā)明第16方面的功率模塊的制造方法包括功率半導體固定工序、電線連接工序、非功率半導體連接工序以及冷卻單元固定工序，所述功率模塊具有構成用于進行電力轉(zhuǎn)換的電源電路的功率半導體和非功率半導體；用于安裝功率半導體和非功率半導體兩者的一塊樹脂基板；以及用于冷卻功率半導體的冷卻單元。在功率半導體固定工序中，將功率半導體固定在樹脂基板的規(guī)定位置。在電線連接工序中，將功率半導體和設置在樹脂基板上的電路通過電線連接。在非功率半導體連接工序中，將非功率半導體與電路連接。此外，在該非功率半導體連接工序中優(yōu)選采用回流方式。在冷卻單元固定工序中，將樹脂基板固定在冷卻單元上。另外，功率半導體固定工序、電線連接工序、非功率半導體連接工序以及冷卻單元固定工序也可以適當?shù)剡M行調(diào)換。
在該功率模塊的制造方法中，在功率半導體固定工序中，將功率半導體固定在樹脂基板的規(guī)定位置。另外，在電線連接工序中，將功率半導體和設置在樹脂基板上的電路通過電線連接。此外，在非功率半導體連接工序中，將非功率半導體與電路連接。另外，在冷卻單元固定工序中，將樹脂基板固定在冷卻單元上。因此，在該功率模塊的制造方法中，將功率半導體和非功率半導體安裝在一塊樹脂基板上。從而，如果利用該功率模塊的制造方法，則能夠削減基材的原料成本、人事費用以及設備費用等。
本發(fā)明第1方面的功率模塊能夠以低制造成本進行制造。
在本發(fā)明第2方面的功率模塊中，如果能將冷卻流體維持在適當?shù)臏囟龋瑒t即使采用低導熱性的樹脂基板作為功率半導體的安裝基板，也能將功率半導體所產(chǎn)生的熱充分地從功率模塊排出。
在本發(fā)明第3方面的功率模塊中，能夠縮短冷卻流體通路與功率半導體之間的距離。因此，在該功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
在本發(fā)明第4方面的功率模塊中，能夠適當?shù)鼐S持冷卻流體的溫度。
在本發(fā)明第5方面的功率模塊中，與由非功率半導體產(chǎn)生的熱相比，能夠?qū)⒐β拾雽w所產(chǎn)生的熱更高效地排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
在本發(fā)明第6方面的功率模塊中，與由非功率半導體產(chǎn)生的熱相比，能夠?qū)⒐β拾雽w所產(chǎn)生的熱更高效地排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。另外，非功率半導體與功率半導體配置在不同高度，所以不易受到功率半導體所產(chǎn)生的熱的影響。
在本發(fā)明第7方面的功率模塊中，不需要進行復雜的機械加工，就能制造出復雜形狀的樹脂基板。
在本發(fā)明第8方面的功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
在本發(fā)明第9方面的功率模塊中，能夠有效地防止放電。
在本發(fā)明第10方面的功率模塊中，能夠高效地處理功率半導體所產(chǎn)生的熱。
在本發(fā)明第11方面的功率模塊中，能夠提高樹脂基板內(nèi)部的導熱性。因此，在該功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
在本發(fā)明第12方面的功率模塊中，能夠提高樹脂基板內(nèi)部的導熱性。因此，在該功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
在本發(fā)明第13方面的功率模塊中，能夠提高樹脂基板內(nèi)部的導熱性。因此，在該功率模塊中，能夠更高效地將功率半導體所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊的系統(tǒng)外部。
本發(fā)明第14方面的功率模塊能夠以低制造成本進行制造。
本發(fā)明第15方面的空調(diào)機能夠以低制造成本進行制造。
在本發(fā)明第16方面的功率模塊的制造方法中，功率半導體和非功率半導體安裝在一塊樹脂基板上。因此，如果利用該功率模塊的制造方法，則能夠削減基材的原料成本、人事費用以及設備費用等。


圖1是本實施方式的空調(diào)機的外觀立體圖。
圖2是本實施方式的空調(diào)機的制冷劑回路圖。
圖3(a)是搭載在本實施方式的空調(diào)機中的功率模塊的縱剖面圖，圖3(b)是本實施方式的功率模塊的冷卻套部的俯視透視圖。
圖4是表示本實施方式的安裝基板的厚度與散熱特性的關系的表。
圖5是表示本實施方式的功率模塊的制造工序的流程圖。
圖6是搭載在變形例(A)的空調(diào)機中的功率模塊的局部縱剖面圖。
圖7是搭載在變形例(B)的空調(diào)機中的功率模塊的局部縱剖面圖。
圖8是搭載在變形例(F)的空調(diào)機中的功率模塊的局部縱剖面圖。
圖9是搭載在變形例(F)的空調(diào)機中的功率模塊的局部縱剖面圖。
圖10是搭載在變形例(F)的空調(diào)機中的功率模塊的局部縱剖面圖。
圖11是搭載在變形例(G)的空調(diào)機中的功率模塊的局部縱剖面圖。
符號說明1空調(diào)機；5、5A、5B、5C、5D、5E、5F功率模塊；51、51A、51B、51C、51D、51E、51F安裝基板(樹脂基板)；53a第一電子部件(功率半導體)；53b第二電子部件(非功率半導體)；54、54C熱擴散器(熱擴散部)；54B熱通路(熱擴散部)；54D導熱性填料(熱擴散部)；54E導熱性薄片(熱擴散部)；57C、57D、57E、57F電絕緣層；59、59A、59F制冷劑通路(冷卻單元)。
具體實施例方式
<空調(diào)機的整體結構>
圖1是表示本實施方式的空調(diào)機1的外觀立體圖。
該空調(diào)機1具有安裝在室內(nèi)的墻面等上的壁掛式的室內(nèi)機2；以及設置在室外的室外機3。
在室內(nèi)機2內(nèi)收納有室內(nèi)熱交換器，在室外機3內(nèi)收納有室外熱交換器，各熱交換器通過制冷劑配管4連接在一起，由此構成制冷劑回路。
<空調(diào)機的制冷劑回路的概略結構>
圖2表示空調(diào)機1的制冷劑回路的結構。該制冷劑回路主要由室內(nèi)熱交換器20、蓄能器(accumulator)31、壓縮機32、四路切換閥33、室外熱交換器30以及電動膨脹閥34構成。
設在室內(nèi)機2中的室內(nèi)熱交換器20在與所接觸的空氣之間進行熱交換。另外，在室內(nèi)機2中設置有橫流風扇21，該橫流風扇21用于吸入室內(nèi)空氣并將通過室內(nèi)熱交換器20進行熱交換后的空氣排出到室內(nèi)。橫流風扇21構成為圓筒狀，并在周面上沿著旋轉(zhuǎn)軸方向設置有葉片，在與旋轉(zhuǎn)軸相交的方向上產(chǎn)生空氣流。該橫流風扇21通過設置在室內(nèi)機2內(nèi)的室內(nèi)風扇電動機22驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
在室外機3中設置有壓縮機32；與壓縮機32的排出側(cè)連接的四路切換閥33；與壓縮機32的吸入側(cè)連接的蓄能器31；與四路切換閥33連接的室外熱交換器30；以及與室外熱交換器30連接的電動膨脹閥34。電動膨脹閥34通過過濾器35和液體截流閥36與配管41連接，并通過該配管41與室內(nèi)熱交換器20的一端連接。另外，四路切換閥33通過氣體截流閥37與配管42連接，并通過該配管42與室內(nèi)熱交換器20的另一端連接。該配管41、42相當于圖1中的制冷劑配管4。另外，在室外機3中設置有螺旋槳風扇38，該螺旋槳風扇38用于將在室外熱交換器30中進行熱交換后的空氣排出到外部。該螺旋槳風扇38通過風扇電動機39驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。此外，在該制冷劑回路上還連接有設置在功率模塊5(后述)中的冷卻套58(參照圖3)，該功率模塊5進行壓縮機32、風扇電動機39以及電動膨脹閥34等的電力轉(zhuǎn)換。
<功率模塊的結構>
圖3(a)是表示本實施方式的功率模塊5的縱剖面圖。
本實施方式的功率模塊5主要由殼體50、第一電子部件53a、第二電子部件53b、安裝基板51和冷卻套58構成。
殼體50由下列部分構成從安裝基板51的側(cè)緣向電子部件53a、53b的安裝面?zhèn)攘⒃O的側(cè)壁50a；和設置成從側(cè)壁50a的上端覆蓋電子部件53a、53b的上部的蓋50b。
第一電子部件53a是在通電時產(chǎn)生大量熱的所謂功率半導體(包括裸芯片等)。在本實施方式中，所謂功率半導體是指例如二極管和功率晶體管等。
第二電子部件53b是所謂的非功率半導體或其他電子部件(電容器或電阻等的表面安裝部件)。在本實施方式中，所謂非功率半導體是指例如微型計算機和ROM等(包括裸芯片等)。
安裝基板51主要由安裝第一電子部件53a的區(qū)域(下面稱作第一安裝區(qū)域)和安裝第二電子部件53b的區(qū)域(下面稱作第二安裝區(qū)域)構成。第一安裝區(qū)域由一層薄片狀的玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂(以下稱作玻璃環(huán)氧薄片)51a形成，其厚度約為100μm左右。順便說一下，該厚度是考慮了來自第一電子部件53a的發(fā)熱量為40W、發(fā)熱面積為4cm2、第一電子部件53a保持在100℃以下的情況算出的值(參照圖4)。在該第一安裝區(qū)域內(nèi)，第一電子部件53a通過熱擴散器(heat spreader)54和導電體安裝在一層玻璃環(huán)氧薄片51a上，并進一步通過硅膠56等封裝劑封裝。另一方面，第二安裝區(qū)域由導電體圖案52和玻璃環(huán)氧薄片51a交替地層疊起來的層疊型樹脂基板形成。在該第二安裝區(qū)域中，第二電子部件53b安裝在層疊型樹脂基板上，第二電子部件53b與配置在玻璃環(huán)氧薄片51a之間的導電體圖案52連接，從而形成三維形狀的復雜的控制電路。此外，第一電子部件53a也通過電線55連接在該導電體圖案52上，從而形成電源電路的一部分。導線57用于與外部電路的連接。順便說一下，為了形成本實施方式的安裝基板51，考慮使用下述方法等(i)在制造了均勻的板狀的層疊型安裝基板之后，通過機械加工使安裝基板51的第一安裝區(qū)域的厚度變薄(電路圖案需要考慮機械加工來形成)；或者(ii)為了使安裝基板成為預先設計的形狀，預先一塊一塊地形成玻璃纖維織物，將環(huán)氧樹脂原液浸漬在第n層玻璃纖維織物中之后，對它們進行加熱、壓縮等，然后在其雙面或單面上形成電路圖案(下面將該玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂稱作電路圖案保持玻璃環(huán)氧薄片)，之后，將浸漬有環(huán)氧樹脂原液的第(n+1)層玻璃纖維織物夾在電路圖案保持玻璃環(huán)氧薄片中，再次進行加熱、壓縮。此外，在后者的情況下，需要與設計形狀一致的模具。
冷卻套58是長方體的金屬箱體，其設置在安裝基板51的電子部件53a、53b的安裝面的相反側(cè)，且設置成與安裝基板51的安裝面的相反面接觸。此外，在該冷卻套58的內(nèi)部，在對應于第一安裝區(qū)域的部分形成有多根發(fā)夾形狀的通路(下面稱作制冷劑通路)59(參照圖3(b))。如圖2所示，該制冷劑通路59以夾著電動膨脹閥34的方式與制冷劑回路連接。因此，液體制冷劑從制冷劑回路流入該制冷劑通路59中，主要由第一電子部件53a產(chǎn)生的熱通過該液體制冷劑從功率模塊5排出。此外，通常，流入制冷劑通路中的液體制冷劑的溫度為30～60℃左右。
<功率模塊的制造方法>
在這里，利用圖5說明本發(fā)明實施方式的功率模塊5的制造方法。
在圖5中，在步驟S1中，將第一電子部件53a和熱擴散器54結合在一起(bonding)。在步驟S2中，將在步驟S1中得到的第一電子部件53a和熱擴散器54的結合部件結合到安裝基板51的第一安裝區(qū)域。此外，這時，上述結合部件以熱擴散器54與安裝基板51密接的方式結合。在步驟S3中，第一電子部件53a和安裝基板51的導電體圖案52通過電線結合在一起。在步驟S4中，第二電子部件53b在放置于導電體圖案52的規(guī)定位置的狀態(tài)下被加熱到預定溫度，并通過回流(reflow)方式將第二電子部件53b軟釬焊到導電體圖案52上。此外，預先在該導電體圖案52上印刷或涂敷可回流的材料(膏狀釬焊料等)。在步驟S5中，通過回流方式將導線部件53c(包含在第二電子部件53b中)軟釬焊到導電體圖案52上。
<功率模塊的特征>
(1)在本實施方式的功率模塊5中，第一電子部件53a和第二電子部件53b兩者安裝在由玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂制成的同一安裝基板51上。因此，與分開制造第一電子部件53a用的安裝基板和第二電子部件53b用的安裝基板的以往的功率模塊相比，該功率模塊5能夠以低成本制造。
(2)在本實施方式的功率模塊5中，安裝基板51的第一安裝區(qū)域的厚度足夠薄，第一電子部件53a被大致50℃的制冷劑有效地冷卻。因此，與采用鋁基板或陶瓷基板等作為第一電子部件53a安裝用基板的以往的功率模塊相比，該功率模塊5能夠以低成本制造。另外，在該功率模塊5中，由于安裝基板51由玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂制成，所以，與上述以往的功率模塊相比，加工性能優(yōu)異。另外，在該功率模塊5中，由于安裝基板51由玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂制成，所以，與如上所述的以往的功率模塊相比，第一電子部件53a的安裝可靠性優(yōu)異。
(3)在本實施方式的功率模塊5中，第一電子部件53a與制冷劑通路59的最短距離比第二電子部件53b與制冷劑通路59的最短距離短。因此，在該功率模塊5中，與第二電子部件53b所產(chǎn)生的熱相比，能夠?qū)⒐β拾雽w所產(chǎn)生的熱有效率地排出到功率模塊5的系統(tǒng)外部。
<變形例>
(A)在先前實施方式的功率模塊5中，冷卻套58設置在安裝基板51的電子部件53a、53b的安裝面的相反側(cè)，且設置成與安裝基板51的安裝面的相反面接觸，并且在該冷卻套58的內(nèi)部形成有冷卻通路59。但是，如圖6所示，也可以在安裝基板51A的內(nèi)部形成冷卻通路59A。這樣能夠進一步縮短第一電子部件53a與制冷劑通路59A的距離。
(B)在先前實施方式的功率模塊5中，安裝基板51的第一安裝區(qū)域的厚度比第二安裝區(qū)域的厚度薄，但是第一安裝區(qū)域的厚度也可以與第二安裝區(qū)域的厚度相同。在這種情況下，如圖4的表所示，由于第一電子部件53a所產(chǎn)生的熱有可能不能充分地從功率模塊5排出，所以如圖7所示，優(yōu)選在第一電子部件53a的周圍的安裝基板51B內(nèi)部設置熱通路(thermal via)54B。進而，也可以在冷卻套58與安裝基板51B之間設置接觸傳熱層57B。另外，還可以在第一電子部件53a與安裝基板51A之間插入熱擴散器。
(C)在先前實施方式的功率模塊5中，通過冷凍循環(huán)的流動基本上確定了流入制冷劑通路59中的制冷劑的溫度。但是，也可以在第一電子部件53a的周圍設置溫度傳感器，并在制冷劑通路59的出入口附近設置膨脹閥，控制制冷劑的蒸發(fā)溫度，以使第一電子部件53a的周圍溫度保持恒定。這樣能夠更可靠地保護第一電子部件。此外，在這種情況下，也可以將制冷劑通路59的出口與壓縮機32的吸入配管連接。
(D)在先前實施方式的功率模塊5中，安裝基板51的第一安裝區(qū)域的厚度為100μm左右，但是，也可以根據(jù)流入制冷劑通路59的溫度而形成為該尺寸以上的厚度(參照圖4)。另外，與此相反，安裝基板51的第一安裝區(qū)域的厚度也可以形成為100μm以下，但是在這種情況下，需要注意絕緣破壞強度。
(E)在先前實施方式的功率模塊5中，安裝基板51的原料采用了環(huán)氧樹脂，但是也可以采用混合了具有絕緣性的陶瓷顆粒等的環(huán)氧樹脂。這樣能夠提高安裝基板的導熱率，從而能夠更高效地將第一電子部件53a所產(chǎn)生的熱排出到功率模塊5的系統(tǒng)外部。
(F)在先前實施方式的功率模塊5中，安裝基板51采用了層疊型樹脂基板，但是，也可以取而代之地采用圖8、圖9和圖10所示那樣的、僅在兩面設置有導電體圖案的兩面樹脂基板51C、51D、51E。在這樣的功率模塊5C、5D、5E中，為了使第一電子部件53a所產(chǎn)生的熱向制冷劑通路59的方向擴散，優(yōu)選的是，在兩面樹脂基板51C、51D、51E的樹脂部中設置熱通路54C，或者使導熱性填料54D分散到樹脂部中，或者將導熱性薄片54E插入樹脂部中。另外，如果設置使第一電子部件53a所產(chǎn)生的熱沿著安裝面擴散的熱擴散器54，則會更有效。此外，在這種情況下，為了確保兩面樹脂基板51C、51D、51E的絕緣性，優(yōu)選在兩面樹脂基板51C、51D、51E與冷卻套58之間設置電絕緣層57C、57D、57E。但是，在導熱性填料54D或?qū)嵝员∑?4E是陶瓷等具有電絕緣性的情況下，可以省略該電絕緣層57C、57D、57E。
(G)在先前實施方式的功率模塊5中，采用了與安裝基板51的接觸面是平坦形狀的冷卻套58，但是也可以取而代之，采用圖11所示那樣的帶階梯差的冷卻套58F。這樣，冷卻套58F僅與第一電子部件53a等的安裝面的相反側(cè)的面接觸，在其他部分可以進行兩面安裝。因此，在這樣的功率模塊5F中，能夠防止不必要的冷卻(或加熱)，同時能夠進一步實現(xiàn)緊湊化。另外，這樣也能應對導線伸出到安裝面相反側(cè)的面的情況。另外，也可以在冷卻套58F與安裝基板51F之間設置電絕緣層57F。
(H)
在先前實施方式的功率模塊5的制造方法中，是按照步驟S1→步驟S2→步驟S3→步驟S4→步驟S5的順序進行各處理的，但是也可以調(diào)換該順序。例如可以按照步驟S1→步驟S4→步驟S2→步驟S3→步驟S5的順序進行各處理，也可以按照步驟S1→步驟S2→步驟S4→步驟S3→步驟S5的順序進行各處理，還可以按照步驟S5→步驟S1→步驟S2→步驟S3→步驟S4的順序進行各處理。
(I)在先前實施方式的功率模塊5中，安裝基板51的原料采用了環(huán)氧樹脂，但是也可以采用除此以外的樹脂(例如酚醛樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂等)。
本發(fā)明的功率模塊具有能夠以低于以往的功率模塊的制造成本進行制造的特征，有助于功率模塊的低成本化。
權利要求
1.一種功率模塊(5、5A、5B、5C、5D、5E、5F)，該功率模塊具備構成用于進行功率轉(zhuǎn)換的電源電路的功率半導體(53a)和非功率半導體(53b)；用于安裝所述功率半導體和所述非功率半導體兩者的一塊樹脂基板(51、51A、51B、51C、51D、51E、51F)；以及用于冷卻所述功率半導體的冷卻單元(59、59A)。
2.根據(jù)權利要求1所述的功率模塊，其特征在于，所述冷卻單元是配置在所述樹脂基板的所述功率半導體和所述非功率半導體的安裝面的相反側(cè)的、用于使冷卻所述功率半導體用的流體即冷卻流體通過的冷卻流體通路。
3.根據(jù)權利要求2所述的功率模塊，其特征在于，所述冷卻流體通路設置在所述樹脂基板的內(nèi)部。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的功率模塊，其特征在于，所述功率模塊還具備溫度檢測單元，所述溫度檢測單元檢測所述功率半導體或其附近的溫度；以及溫度控制單元，所述溫度控制單元對所述冷卻流體的溫度進行控制，以使所述溫度檢測單元中檢測的溫度成為所述預定溫度。
5.根據(jù)權利要求2～4中的任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述功率半導體與所述冷卻流體通路之間的最短距離比所述非功率半導體與所述冷卻流體通路之間的最短距離短。
6.根據(jù)權利要求1～5中的任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述樹脂基板中安裝所述功率半導體部分的厚度比安裝所述非功率半導體部分的厚度薄。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的功率模塊，其特征在于，所述樹脂基板由沿板厚方向?qū)盈B的多個層疊單位體構成，安裝所述功率半導體部分的厚度和安裝所述非功率半導體部分的厚度通過所述層疊單位體各自的形狀來調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權利要求1～7中的任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述功率模塊還具備用于至少使所述功率半導體所產(chǎn)生的熱進行擴散的熱擴散部(54、54B、54C、54D、54E)。
9.根據(jù)權利要求8所述的功率模塊，其特征在于，所述功率模塊還具備配置在所述熱擴散部與所述冷卻流體通路之間的電絕緣層(57C、57D、57E、57F)。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的功率模塊，其特征在于，所述熱擴散部包括配置在所述功率半導體與所述樹脂基板的安裝面之間的熱擴散器。
11.根據(jù)權利要求8～10中的任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述熱擴散部包括沿著與所述樹脂基板的板面交叉的方向設置在所述樹脂基板的內(nèi)部的熱通路。
12.根據(jù)權利要求8～11中的任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述熱擴散部包括分散混合到所述樹脂基板的樹脂部中的導熱性填料。
13.根據(jù)權利要求4～8中的任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述熱擴散部包括埋設在所述樹脂基板的樹脂部中的導熱性薄片。
14.一種功率模塊(5、5A、5B、5C、5D、5E、5F)，其特征在于，所述功率模塊具備構成用于進行電力轉(zhuǎn)換的電源電路的功率半導體(53a)和非功率半導體(53b)；用于安裝所述功率半導體和非功率半導體兩者的、板厚方向的導熱率為10W/(m·K)以下的一塊安裝基板(51、51A、51B、51C、51D、51E、51F)；以及用于冷卻所述功率半導體的冷卻單元(59、59A)。
15.一種空調(diào)機，其特征在于，所述空調(diào)機具備制冷劑回路和功率模塊(5、5A、5B、5C、5D、5E、5F)，所述功率模塊(5、5A、5B、5C、5D、5E、5F)具有構成用于進行電力轉(zhuǎn)換的電源電路的功率半導體(53a)和非功率半導體(53b)；用于安裝所述功率半導體和所述非功率半導體兩者的一塊樹脂基板(51、51A、51B、51C、51D、51E、51F)；以及制冷劑通路(59、59A)，該制冷劑通路(59、59A)配置在所述樹脂基板的所述功率半導體和所述非功率半導體的安裝面的相反側(cè)，用于使流到所述制冷劑回路的制冷劑通過。
16.一種功率模塊(5、5A、5B、5C、5D、5E、5F)的制造方法，所述功率模塊(5、5A、5B、5C、5D、5E、5F)具備構成用于進行電力轉(zhuǎn)換的電源電路的功率半導體(53a)和非功率半導體(53b)；用于安裝所述功率半導體和所述非功率半導體兩者的一塊樹脂基板(51、51A、51B、51C、51D、51E、51F)；以及用于冷卻所述功率半導體的冷卻單元(59、59A)，其特征在于，所述功率模塊的制造方法包括以下工序?qū)⑺龉β拾雽w固定在所述樹脂基板的規(guī)定位置上的功率半導體固定工序；將所述功率半導體和設置于所述樹脂基板上的電路通過電線連接的電線連接工序；將所述非功率半導體與所述電路連接的非功率半導體連接工序；以及將所述樹脂基板固定在所述冷卻單元上的冷卻單元固定工序。
全文摘要
本發(fā)明的課題在于提供一種能夠?qū)⒅圃斐杀疽种频幂^低的功率模塊及其制造方法和空調(diào)機。功率模塊(5、5A、5B、5C、5D、5E、5F)具備功率半導體(53a)、非功率半導體(53b)、一塊樹脂基板(51、51A、51B、51C、51D、51E、51F)以及冷卻單元(59、59A)。功率半導體和非功率半導體構成用于進行功率轉(zhuǎn)換的電源電路。在樹脂基板上安裝有功率半導體和非功率半導體兩者。冷卻單元是為了冷卻功率半導體而設置的。
文檔編號H01L23/473GK101076892SQ200580042419
公開日2007年11月21日 申請日期2005年12月1日 優(yōu)先權日2004年12月13日
發(fā)明者寺木潤一, 田中三博 申請人:大金工業(yè)株式會社