專利名稱：功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體模塊，更具體地說(shuō)，涉及包含電容器的功率半導(dǎo)體 模塊。
背景技術(shù)：
最近，以電動(dòng)汽車、氣體一電力混合動(dòng)力汽車以及以燃料電池為動(dòng)力的汽車為代表，這樣的汽車正在普遍起來(lái)，所述汽車采用AC電動(dòng)機(jī)作為 動(dòng)力源來(lái)操縱汽車、并安裝有逆變器裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)該AC電動(dòng)機(jī)。對(duì)于這種類型的汽車，需要使驅(qū)動(dòng)裝置更小，所述驅(qū)動(dòng)裝置利用逆變 器裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)AC電動(dòng)機(jī)。逆變器裝置通常由開關(guān)元件和整流二極管元件 組成，所述開關(guān)元件例如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)。為了獲得更小的 尺寸，有時(shí)會(huì)將其以模塊形式提供。經(jīng)常將用于電涌吸收的電容器設(shè)置在 開關(guān)元件附近。在成本和空間都受到嚴(yán)格限制的混合動(dòng)力汽車中，難以使用結(jié)合在一 起的單一部件IGBT元件和單一部件電容器元件，因?yàn)檫@種結(jié)合會(huì)增大成 本和空間。日本專利公開No. 2000-92847公開了一種帶有電容器的半導(dǎo)體模塊裝 置，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的抗電涌性能。該半導(dǎo)體模塊的外部殼體固定了濾波電容 器，同時(shí)將電容器壓向冷卻基座。因此，可以使電容器的組裝和固定簡(jiǎn) 化，同時(shí)可以確保電容器的冷卻性能。根據(jù)日本專利公開No. 2000-92847中公開的這種技術(shù)，對(duì)電容器形狀 以及包含了功率元件(例如IGBT)的功率模塊的形狀進(jìn)行調(diào)整以便于組 裝。但是，電容器仍然由螺釘固定到功率模塊的端子。因此，仍然有改進(jìn) 余地來(lái)使功率元件與電容器之間的實(shí)體距離更短，并減小固定部分的電感 成分。此外，該技術(shù)只在功率元件一側(cè)解決了冷卻器的安裝問題，因此在
冷卻性能方面還有改進(jìn)余地。此外還需要混合動(dòng)力汽車行駛更多里程，為了滿足這種需要，減小開 關(guān)損耗非常重要。為了減小開關(guān)損耗，必須以高于傳統(tǒng)技術(shù)的速度進(jìn)行開關(guān)。但是高速開關(guān)增大了開關(guān)元件相反端產(chǎn)生的電涌(surge)電壓，使得 必須增加緩沖器(snubber)電路。在使電流流動(dòng)開啟/關(guān)斷的開關(guān)電路中，緩沖器電路用于防止開關(guān)時(shí)的 過(guò)渡狀態(tài)下產(chǎn)生較高的尖峰電壓。電流路徑上導(dǎo)線的電感成分產(chǎn)生尖峰電 流，這種尖峰電流在開關(guān)元件關(guān)斷的瞬間特別大。通常，安裝有功率半導(dǎo)體的部分以及設(shè)置了緩沖器電路的電容器的部 分隔開一段距離，并由母線(bus bar)對(duì)這些部分進(jìn)行連接。但是，母線 也有電感成分，因此其中儲(chǔ)存的能量可能在不期望的情況下以電涌電壓的 形式表現(xiàn)出來(lái)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種功率半導(dǎo)體模塊，該模塊中可以令人滿 意地對(duì)電容器和功率半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻，并可以減小電涌電壓。簡(jiǎn)言之，本發(fā)明提供了一種功率半導(dǎo)體模塊，它包括功率半導(dǎo)體元件 以及連接到功率半導(dǎo)體模塊的電容器。功率半導(dǎo)體元件和電容器二者的電 極在模塊中彼此耦合。優(yōu)選地，功率半導(dǎo)體元件形成于具有第一、第二主要表面的半導(dǎo)體襯 底上。功率半導(dǎo)體模塊還包括第一電極，接合到第一主要表面，主電流 流經(jīng)第一電極；第二電極，接合到第二主要表面，主電流流經(jīng)第二電極； 樹脂部分，對(duì)半導(dǎo)體襯底、電容器、第一電極和第二電極進(jìn)行密封。電容 器包括第三電極和第四電極。第一電極和第三電極彼此接合，使得經(jīng)過(guò)樹 脂部分而暴露的表面布置在一個(gè)相同的連續(xù)表面上。更優(yōu)選地，功率半導(dǎo)體模塊還包括冷卻器，冷卻器安裝到第一和第三 電極中經(jīng)過(guò)樹脂部分而暴露的表面。更優(yōu)選地，功率在功率半導(dǎo)體模塊中，第二和第四電極彼此接合，使 得經(jīng)過(guò)樹脂部分而暴露的表面布置在一個(gè)相同的連續(xù)表面上。更優(yōu)選地，功率半導(dǎo)體模塊還包括冷卻器，用于對(duì)電容器和功率半導(dǎo) 體元件進(jìn)行冷卻。冷卻器包括第一冷卻部分和第二冷卻部分，第一冷卻部 分同時(shí)安裝到第一、第三電極中經(jīng)過(guò)樹脂部分而暴露的表面上，第二冷卻 部分同時(shí)安裝到第二、第四電極中經(jīng)過(guò)樹脂部分而暴露的表面上。更優(yōu)選地，第一、第二冷卻部分布置成從相反側(cè)夾住功率半導(dǎo)體元件 和電容器。更優(yōu)選地，功率半導(dǎo)體模塊還包括第一、第二端子，這些端子分別接 合到第三、第四電極，用于取出主電流。更優(yōu)選地，功率半導(dǎo)體模塊還包括控制電極，控制電極電連接到半導(dǎo) 體襯底并接收用于控制主電流的控制信號(hào)作為輸入。因此，本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，由于電容器的電極和半導(dǎo)體元件 的電極布置成彼此直接耦合，所以可以減小互連導(dǎo)線的L成分(電感)和 電阻成分，還可以減小電涌電壓。


圖1是汽車中電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一部分的電路圖，本發(fā)明的功率半導(dǎo)體 模塊應(yīng)用于該系統(tǒng)。圖2是對(duì)圖1所示功率半導(dǎo)體模塊11的構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明的電路圖。 圖3是功率半導(dǎo)體模塊11的正視圖。圖4是沿圖3中IV-IV線所取的功率半導(dǎo)體模塊11剖視圖。圖5示出了圖4所示電容器46的截面詳細(xì)結(jié)構(gòu)。圖6是圖示了電容器46結(jié)構(gòu)的示意性立體圖。圖7是安裝了冷卻器的功率半導(dǎo)體模塊的剖視圖。圖8是示出根據(jù)一種改變形式的功率半導(dǎo)體模塊IIB構(gòu)造的電路圖。圖9是示出根據(jù)另一種改變形式的功率半導(dǎo)體模塊11C構(gòu)造的電路圖。
具體實(shí)施方式
下面將參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在這些附圖中，相
同或相應(yīng)的部分由相同的標(biāo)識(shí)符號(hào)表示，并將不再重復(fù)其描述。圖1是圖示了汽車中電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一部分的電路圖，本發(fā)明的功率 半導(dǎo)體模塊應(yīng)用于該系統(tǒng)。這樣的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)例如安裝在電動(dòng)汽車、 混合動(dòng)力汽車和以燃料電池為動(dòng)力的汽車上。圖1所示汽車包括電池4、濾波電容器6、逆變器裝置2以及電動(dòng)機(jī)8。電池4例如是蓄電池，如鎳氫電池或鋰離子電池。濾波電容器6和逆 變器裝置2并聯(lián)連接在電池4的正負(fù)極之間。逆變器裝置2接收由濾波電容器6進(jìn)行過(guò)電壓平滑處理的供電電壓， 并驅(qū)動(dòng)AC電動(dòng)機(jī)8。此外，在再生控制下，逆變器裝置2還將AC電動(dòng)機(jī) 8產(chǎn)生的功率送回電池4。AC電動(dòng)機(jī)8用于產(chǎn)生對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)輪(未示出)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的扭矩。 例如當(dāng)安裝在混合動(dòng)力汽車上時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以用作由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電 機(jī)，也可以作為用于發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)以起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)使之工作。逆變器2包括U相臂UA、 V相臂VA和W相臂WA，這些臂并聯(lián)連 接在濾波電容器6的各端子之間，供電電壓施加到這些端子。U相臂UA包括串聯(lián)連接在濾波電容器6各端子之間的功率半導(dǎo)體模 塊11和12。 V相臂VA包括串聯(lián)連接在濾波電容器6各端子之間的功率 半導(dǎo)體模塊13和14。 W相臂WA包括串聯(lián)連接在濾波電容器6各端子之 間的功率半導(dǎo)體模塊15和16。功率半導(dǎo)體模塊11與12之間的連接節(jié)點(diǎn)連接到電動(dòng)機(jī)8的U相線圈 (未示出) 一端。功率半導(dǎo)體模塊13與14之間的連接節(jié)點(diǎn)連接到電動(dòng)機(jī) 8的V相線圈(未示出) 一端。功率半導(dǎo)體模塊15與16之間的連接節(jié)點(diǎn) 連接到電動(dòng)機(jī)8的W相線圈(未示出) 一端。U相線圈、V相線圈和W 相線圈各自的另一端一起耦合到中點(diǎn)。圖2是對(duì)圖1所示功率半導(dǎo)體模塊11的構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明的電路圖。參考圖2，功率半導(dǎo)體模塊11包括電容器Cl、 IGBT元件Ql和二極 管21，其中，電容器Cl連接在節(jié)點(diǎn)Nl和N2之間；IGBT元件Ql的集 電極連接到節(jié)點(diǎn)N1，發(fā)射極連接到節(jié)點(diǎn)N2。 二極管21與功率半導(dǎo)體模塊 11并聯(lián)連接在節(jié)點(diǎn)Nl與N2之間。二極管21連接成使其正向從節(jié)點(diǎn)N2 向Nl。電容器Cl是緩沖器電容器，并可以具有約O.l(iF的電容值。具體地 說(shuō)，電容值可以比圖1中濾波電容器6的電容值小得多。盡管圖2示出的示例中，功率半導(dǎo)體模塊包括二極管21，但是也可以 將二極管21設(shè)置在功率半導(dǎo)體模塊11外部，例如后面圖9中所示那樣。圖l所示功率半導(dǎo)體模塊12至16具有與功率半導(dǎo)體模塊ll相同的結(jié) 構(gòu)，因此將不再對(duì)它們進(jìn)行重復(fù)說(shuō)明。圖3是功率半導(dǎo)體模塊11的正視圖。圖4是沿圖3中IV-IV線所取的功率半導(dǎo)體模塊11的剖視圖。參考圖3和圖4，功率半導(dǎo)體模塊11包括功率半導(dǎo)體元件52以及連 接到功率半導(dǎo)體元件52的電容器46。功率半導(dǎo)體元件52和電容器46各 自的電極在模塊中彼此連接。電容器46對(duì)應(yīng)于圖2所示電容器Cl。此 外，功率半導(dǎo)體元件52對(duì)應(yīng)于圖2的IGBT元件Ql和二極管21 。功率半導(dǎo)體元件52形成于半導(dǎo)體襯底上，該襯底具有第一主要表面 和第二主要表面。功率半導(dǎo)體模塊ll還包括電極48，由焊料層50連接 到第一主要表面，主電流流經(jīng)電極48;電極60，由焊料層58連接到第二 主要表面，主電流流經(jīng)電極60;以及樹脂部分70，對(duì)半導(dǎo)體襯底、電容 器46以及電極48和60進(jìn)行密封。電極48和60還作為散熱器，即，將來(lái)自半導(dǎo)體襯底的熱量有效地輻射到外側(cè)的熱傳遞部件。電容器46包括電極42和44。焊料62將電極48和42相互連接，使 得從樹脂部分暴露的表面設(shè)置在一個(gè)相同的連續(xù)表面上，該連續(xù)表面可以 安裝冷卻器。焊料64將電極60和44相互連接，使得從樹脂部分暴露的表 面設(shè)置在一個(gè)相同的連續(xù)表面上，該連續(xù)表面可以安裝冷卻器。因此，功 率半導(dǎo)體模塊11的兩個(gè)表面都可以容易地連接到散熱器。圖4示出了一 種示例，其中所述一個(gè)相同的連續(xù)表面是平的。在安裝散熱器的表面是曲 面時(shí)，可以將電極42和48的表面形成為與該曲面形狀相符，并可以由焊 料62將電極42和48進(jìn)行連接，使電極表面形成連續(xù)的表面。
通過(guò)將電容器46設(shè)置得非?？拷β拾雽?dǎo)體元件52并在沒有緊固部 分的情況下進(jìn)行連接，可以使傳統(tǒng)上用于對(duì)這些元件進(jìn)行連接的母線中的 L成分(電感)盡可能地消除，并可以使消除電涌所用的緩沖器電路的效 果提高。功率半導(dǎo)體模塊11還包括端子53，由焊料66連接到電極42，用 于取出主電流；端子54，由焊料68連接到電極44，用于取出主電流。電 極53和54是母線，它們連接到逆變器的電源線或連接到輸出線。功率半導(dǎo)體模塊11還包括控制電極55，控制電極55由導(dǎo)線56電連 接到半導(dǎo)體襯底，用于接收對(duì)主電流進(jìn)行控制所用的控制信號(hào)作為輸入。電極48和端子53被分開，電極60和端子54也被分開，因此，電容 器46可以設(shè)置成占據(jù)了功率半導(dǎo)體模塊的整個(gè)厚度，因此可以增大其電圖5示出了圖4所示電容器46的詳細(xì)剖視結(jié)構(gòu)。 圖6是圖示了電容器46結(jié)構(gòu)的示意性立體圖。參考圖5和圖6，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚丙烯制成的絕 緣膜46A形成層疊關(guān)系。絕緣膜46A上形成蒸鍍金屬層46B (例如鋁)。具體地說(shuō)，通過(guò)纏繞來(lái)對(duì)兩個(gè)條狀絕緣膜進(jìn)行層疊，并使兩個(gè)膜彼此 略微偏離。兩個(gè)絕緣膜在不同位置形成有邊緣區(qū)46C，即， 一個(gè)絕緣膜在 電極42那側(cè)形成邊緣區(qū)46C，而另一個(gè)絕緣膜在電極44那側(cè)形成邊緣區(qū) 46C。在纏繞之后，通過(guò)稱為"金屬化(metallicon)"的噴制金屬，在相 反側(cè)形成電極42和44。盡管已經(jīng)參考圖5和圖6對(duì)使用薄膜電容器作為電容器46的示例進(jìn)行 了說(shuō)明，但是也可以使用其他類型的電容器，例如陶瓷多層電容器。圖7是示出安裝了冷卻器的功率半導(dǎo)體模塊的剖視圖。參考圖7，除了參考圖3和圖4所述的功率半導(dǎo)體模塊11構(gòu)造之外， 功率半導(dǎo)體模塊11還包括用于對(duì)電容器46和功率半導(dǎo)體元件52進(jìn)行冷卻 的冷卻器。冷卻器包括由鋁形成的微通道冷卻單元84，同時(shí)安裝到電極 42和48中經(jīng)過(guò)樹脂部分而暴露的表面，絕緣樹脂82置于該冷卻單元與這 些表面之間；由鋁形成的微通道冷卻單元88，同時(shí)安裝到電極44和60中 經(jīng)過(guò)樹脂部分而暴露的表面，絕緣樹脂86置于該冷卻單元與這些表面之 間。微通道冷卻單元84和88設(shè)置成將功率半導(dǎo)體元件52和電容器46保 持在它們之間。薄膜電容器的膜的抗熱能力約為95°C，比較低?？紤]到必須排出電容 器自身產(chǎn)生的熱量以及由于電容器因位置盡可能靠近功率半導(dǎo)體元件以有 效地作為緩沖器電容器而接收到的熱量，冷卻是不可缺少的。圖7所示設(shè) 置使得可以同時(shí)對(duì)功率半導(dǎo)體元件和電容器進(jìn)行冷卻。注意，電容器Cl和二極管21的連接位置可以變成圖8所示功率半導(dǎo) 體模塊11B中那樣。具體地說(shuō)，在圖2中，二極管21連接在內(nèi)側(cè)，電容 器Cl連接在比它靠外的位置，但如圖8所示，也可以將電容器Cl連接在 內(nèi)側(cè)，而將二極管21連接在比它靠外的位置。此外，也可以采用如圖9 所示的功率半導(dǎo)體模塊IIC，該模塊包括IGBT元件Ql和電容器Cl，而 二極管21連接在外部。盡管本實(shí)施例中已經(jīng)以IGBT元件作為功率開關(guān)元件的示例進(jìn)行了說(shuō) 明，但是也可以包括MOS晶體管等作為功率開關(guān)元件。如上所述，在本發(fā)明的實(shí)施例中，緩沖器電容器設(shè)置得非常靠近功率 半導(dǎo)體元件，從而可以減小互連導(dǎo)線部分的L成分(電感)和電阻成分， 并可以減小電涌電壓。此外，緩沖器電容器的溫度由于自身發(fā)熱以及來(lái)自功率半導(dǎo)體元件周 邊的熱量而升高，本發(fā)明可以同時(shí)對(duì)緩沖器電容器和功率半導(dǎo)體元件同時(shí) 進(jìn)行冷卻。此外，減少了元件數(shù)目并使半導(dǎo)體模塊變得緊湊，從而處理更加容 易，安裝和封裝更加方便。盡管已經(jīng)詳細(xì)圖示和說(shuō)明了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)明白，這些只是圖示和 示例方式而不應(yīng)認(rèn)為是限制性的，本發(fā)明的精神和范圍由權(quán)利要求項(xiàng)來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體模塊，包括功率半導(dǎo)體元件；和電容器，連接到所述半導(dǎo)體元件；其中，所述功率半導(dǎo)體元件和所述電容器二者的電極在所述模塊中彼此接合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述功率半導(dǎo)體元件形成于半導(dǎo)體襯底上，所述半導(dǎo)體襯底具有第一 主要表面和第二主要表面；所述功率半導(dǎo)體模塊還包括第一電極，接合到所述第一主要表面，主電流流經(jīng)所述第一電極；第二電極，接合到所述第二主要表面，所述主電流流經(jīng)所述第二電極；禾口樹脂部分，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底、所述電容器、所述第一電極和所 述第二電極進(jìn)行密封；其中， 所述電容器包括第三電極和第四電極；并且 所述第一電極與所述第三電極彼此接合，使得經(jīng)過(guò)所述樹脂部分而暴 露的表面設(shè)置在一個(gè)相同的連續(xù)面上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊，還包括冷卻器，安裝到所述第一電極和所述第三電極中經(jīng)過(guò)所述樹脂部分而 暴露的表面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中， 所述第二電極與所述第四電極彼此接合，使得經(jīng)過(guò)所述樹脂部分而暴露的表面設(shè)置在一個(gè)相同的連續(xù)面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體模塊，還包括冷卻器，對(duì)所述電容器和所述功率半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻；其中， 所述冷卻器包括第一冷卻部分，共同地安裝在所述第一電極和所述第三電極中經(jīng) 過(guò)所述樹脂部分而暴露的所述表面上，和第二冷卻部分，共同地安裝在所述第二電極和所述第四電極中經(jīng) 過(guò)所述樹脂部分而暴露的所述表面上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述第一冷卻部分和所述第二冷卻部分設(shè)置成從相反側(cè)夾住所述功率 半導(dǎo)體元件和所述電容器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊，還包括第一端子和第二端子，分別接合到所述第三電極和所述第四電極，以 取出所述主電流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體模塊，還包括控制電極，電連接到所述半導(dǎo)體襯底，并接收用于控制所述主電流的 控制信號(hào)作為輸入。
全文摘要
功率半導(dǎo)體元件(52)和電容器(46)二者的電極在模塊中彼此接合。功率半導(dǎo)體元件(52)形成于具有第一、第二主要表面的半導(dǎo)體襯底上。功率半導(dǎo)體模塊(11A)包括電極(48)，接合到第一主要表面，主電流流經(jīng)該電極；電極(60)，接合到第二主要表面，主電流流經(jīng)該電極；和樹脂部分(70)，對(duì)半導(dǎo)體襯底、電容器(46)和電極(48、60)進(jìn)行密封。電容器包括電極(42、44)。電容器的電極和半導(dǎo)體元件的電極由焊料(62)彼此接合，使得經(jīng)過(guò)樹脂部分而暴露的表面布置在一個(gè)連續(xù)面上，冷卻器可以安裝在該面上。因此可以提供一種功率半導(dǎo)體模塊，其中可以有效地對(duì)電容器和功率半導(dǎo)體元件進(jìn)行冷卻，并可以減小電涌電壓。
文檔編號(hào)H01L25/07GK101167186SQ20068000797
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者古田紀(jì)文 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社