功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率模塊等中的使搭載有功率半導(dǎo)體元件的散熱基板緊貼在散熱片上的功率模塊的安裝構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002]在以往的功率模塊中，作為使用螺釘來(lái)固定樹(shù)脂殼體與散熱片并將搭載有功率半導(dǎo)體元件的散熱基板安裝于散熱片的手段，采用了如下的構(gòu)造:使用設(shè)置在樹(shù)脂殼體上的突起部將散熱基板按壓于散熱片(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。
[0003]現(xiàn)有專利文獻(xiàn)
[0004]專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本專利第3225457號(hào)公報(bào)(第2頁(yè)，第I圖)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明要解決的課題
[0007]在以往的功率模塊中，使用樹(shù)脂殼體將散熱基板固定于散熱片，因此，由螺釘軸力對(duì)樹(shù)脂殼體施加應(yīng)力，因該應(yīng)力而產(chǎn)生樹(shù)脂殼體的變形。由于該樹(shù)脂殼體的變形，填充到樹(shù)脂殼體內(nèi)的樹(shù)脂產(chǎn)生裂紋。因該裂紋而存在產(chǎn)生半導(dǎo)體元件的耐壓不良、電特性變動(dòng)這樣的問(wèn)題點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明是為了解決上述的課題而完成的，得到一種功率模塊，其抑制因散熱基板向散熱片的固定而產(chǎn)生的樹(shù)脂殼體的變形，能夠防止填充到樹(shù)脂殼體內(nèi)的樹(shù)脂產(chǎn)生裂紋。
[0009]用于解決課題的手段
[0010]在本發(fā)明的功率模塊中，所述功率模塊具有:散熱基板，其搭載功率半導(dǎo)體元件，在端部具有傾斜部；樹(shù)脂殼體，其與功率半導(dǎo)體元件搭載面相接；散熱片，其與散熱基板背面相接；以及按壓機(jī)構(gòu)，其與散熱基板端部的傾斜部相接而將散熱基板按壓于散熱片。
[0011]發(fā)明效果
[0012]在本發(fā)明中，使散熱基板的截面中的角部(外周部)為傾斜部，使用施壓?jiǎn)卧獊?lái)按壓形成在散熱基板的外周部的傾斜部，從而抑制樹(shù)脂殼體以散熱基板外周部的角部為支點(diǎn)的變形，因此，能夠防止填充到樹(shù)脂殼體內(nèi)的樹(shù)脂產(chǎn)生裂紋。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式I的功率模塊的截面構(gòu)造示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的實(shí)施方式2的功率模塊的截面構(gòu)造示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式2的另一形狀的襯套的截面構(gòu)造示意圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式3的功率模塊的截面構(gòu)造示意圖。
[0017]圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式4的功率模塊的截面構(gòu)造示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]在以下的用于說(shuō)明各實(shí)施方式的各圖中，相同附圖標(biāo)記表示相同或者相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。
[0019]實(shí)施方式I
[0020]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式I的功率模塊的截面構(gòu)造示意圖。如圖1 (a)所示，功率模塊100具有樹(shù)脂殼體6、散熱片10、作為按壓機(jī)構(gòu)的按壓部件13、散熱基板20。樹(shù)脂殼體6在外周部具有作為貫通孔的通孔15。散熱片10在外周部具有螺釘孔16。
[0021]散熱基板20具有金屬基底1、絕緣層2，在散熱基板20上形成有金屬圖形3，經(jīng)由焊錫(未圖示)將功率半導(dǎo)體元件4搭載在金屬圖形3上。另外，散熱基板20在端部具有傾斜部。傾斜部從散熱基板20的內(nèi)部朝向外周部變低。
[0022]作為功率半導(dǎo)體元件4，例如是 IGBT(Insulated-Gate-Bipolar-Transistor:絕緣柵雙極型晶體管)、功率 MOSFET (Metal-Oxide-Sem1nductor-Field-Effect-Transistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。另外，作為功率半導(dǎo)體元件4，也可以為FWD (Free-Wheeling-D1de:續(xù)流二極管)。
[0023]通過(guò)這些功率半導(dǎo)體元件4和金屬圖形3的形狀，構(gòu)成例如反演電路。功率模塊100具有該反演電路。
[0024]作為金屬基底I的材質(zhì)，考慮到散熱性、密度方面，可以使用鋁、銅、或者它們的合金。關(guān)于金屬圖形3，從電阻、散熱性的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選為銅、銅合金。關(guān)于金屬基底1、金屬圖形3的厚度，從生產(chǎn)性、經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)出發(fā)，分別為金屬基底I優(yōu)選為0.5mm至3.0mm左右，金屬圖形3優(yōu)選為0.1mm至0.5mm左右。
[0025]絕緣層2例如可以使用在環(huán)氧樹(shù)脂、液晶聚合物填充了由高散熱材料構(gòu)成的填料而成的材料。絕緣層2的厚度由使用的額定電壓、需求的散熱特性決定，但是優(yōu)選大約0.1謹(jǐn)至0.3謹(jǐn)?shù)姆秶?br>[0026]這樣，形成搭載有功率半導(dǎo)體元件4的散熱基板20。在圖1中的散熱基板20的兩截面端的角部(外周部)設(shè)置有傾斜部。該傾斜部在金屬基底I或者在金屬基底I和絕緣層2形成。另外，也可以不在功率半導(dǎo)體元件4的搭載面的相反面?zhèn)鹊慕饘倩譏的端部形成傾斜部。
[0027]圖1(b)是散熱基板20的外周部的截面構(gòu)造的放大示意圖。作為傾斜部的傾斜，適合采用相對(duì)于搭載功率半導(dǎo)體元件4的平面成20度至60度，優(yōu)選為30度至45度的范圍。如圖1 (b)所示，例如，在30度的斜面的情況下，在使散熱基板20的厚度方向的斜面尺寸a為1.5mm的情況下，平面方向的斜面部寬度b為1.5X V 3 = 2.6mm。在針對(duì)來(lái)自外部的振動(dòng)等可靠地按壓基板這一方面上，作為斜面部寬度b優(yōu)選確保在2mm以上。
[0028]搭載有功率半導(dǎo)體元件4的散熱基板20經(jīng)由粘接材料5固定在樹(shù)脂殼體6內(nèi)。樹(shù)脂殼體6由PPS(Poly-Phenylene-Sulfide:聚苯硫醚)構(gòu)成。在樹(shù)脂殼體6中作為端子7內(nèi)置有主端子、控制端子。端子7與配置在樹(shù)脂殼體6內(nèi)部的功率半導(dǎo)體元件4連接，功率半導(dǎo)體元件4經(jīng)由端子7與外部電連接。例如，連接作為功率半導(dǎo)體元件4的IGBT的柵極和控制端子、連接作為功率半導(dǎo)體元件4的IGBT的發(fā)射極和主端子、連接集電極和主端子。這些連接例如使用Φ0.4_的鋁線8。鋁線8使用超聲波的方法而與功率半導(dǎo)體元件4、端子7接合。另外，也可以使用銅線來(lái)代替鋁線8。由于銅線與鋁線相比為低電阻，所以在使用處理大電流的功率半導(dǎo)體元件4的情況下特別有效。
[0029]以功率半導(dǎo)體元件4和鋁線8部分的保護(hù)、絕緣耐壓的確保為目的，將填充樹(shù)脂9設(shè)置在由樹(shù)脂殼體6和散熱基板20形成的區(qū)域。作為填充樹(shù)脂9例如應(yīng)用以凝膠或環(huán)氧樹(shù)脂為主成分的樹(shù)脂。
[0030]散熱基板20、樹(shù)脂殼體6和填充樹(shù)脂9 一體而成的模塊使用螺釘12安裝于散熱片10。在樹(shù)脂殼體6中設(shè)置有螺釘緊固用的通孔15，在通孔15內(nèi)設(shè)置有襯套11。襯套11是為了將樹(shù)脂殼體6可靠地固定于散熱片10而設(shè)置的。經(jīng)由通孔15將螺釘12緊固在形成于散熱片10的螺釘孔16，從而該模塊被固定于散熱片10。作為襯套11的形狀，可考慮圓筒形狀，但是，只要能夠插入通孔15，就不限定于圓筒形狀，也可以為多角形。另外，作為襯套11的長(zhǎng)度，只要比樹(shù)脂殼體6的通孔15的深度長(zhǎng)即可。并且，襯套11也可以為在樹(shù)脂殼體6的螺釘12插入側(cè)卡在樹(shù)脂殼體6的形狀。
[0031]此時(shí)，在襯套11與散熱片10之間設(shè)置按壓部件13，從而按壓部件13接受被螺釘軸力壓縮的力。在散熱基板20的端部設(shè)置有傾斜部，構(gòu)成為按壓部件13與在金屬基底I的傾斜部、或者在金屬基底I和絕緣層2形成的傾斜部抵接的構(gòu)造。在按壓部件13上，在與散熱基板20的傾斜部接觸的部分設(shè)置有能夠與該散熱基板20的傾斜部接觸的傾斜部。按壓部件13的厚度與散熱基板20的厚度相同，或者薄0.1mm至0.2mm左右。通過(guò)本構(gòu)造產(chǎn)生如下作用:按壓部件13將散熱基板20按壓于散熱片10。在螺釘緊固后，襯套11相比于通孔15向散熱片10側(cè)突出，由粘接材料5與襯套11在樹(shù)脂殼體6與按壓部件13之間形成間隙。另外，作為按壓部件13的材質(zhì)，優(yōu)選為金屬，但是不限定于金屬，只要是不易產(chǎn)生經(jīng)時(shí)變化的材質(zhì)即可。
[0032]例如，在散熱基板20的截面端沒(méi)有形成傾斜部的構(gòu)造中，在用2個(gè)M5螺釘緊固了樹(shù)脂殼體6的情況下，在3.5Nm的螺釘扭矩下觀察到了填充樹(shù)脂9產(chǎn)生裂紋?？烧J(rèn)為這是因?yàn)?由于在散熱基板20的截面端沒(méi)有形成傾斜部，所以散熱基板20的平面與樹(shù)脂殼體6面接觸，以散熱基板20的截面端的角部(外周部)為支點(diǎn)在樹(shù)脂殼體6中產(chǎn)生由螺釘緊固導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)在樹(shù)脂殼體6中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩時(shí)，樹(shù)脂殼體6和填充樹(shù)脂9發(fā)生變形。由于相對(duì)于樹(shù)脂殼體6，填充樹(shù)脂9的楊氏模量通常較低，強(qiáng)度也較弱，所以在形成有端子7等而使樹(shù)脂殼體6突出的部位的填充樹(shù)脂9容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。結(jié)果，認(rèn)為在填充樹(shù)脂9中產(chǎn)生了裂紋。
[0033]然而，在本發(fā)明的構(gòu)造中，采用如下構(gòu)造:散熱基板20的平面部與樹(shù)脂殼體6面接觸，并且，使散熱基板20的截面端的角部為傾斜部，使用具有傾斜部的按壓部件13將散熱基板20向散熱片10按壓。散熱基板20的傾斜部與按壓部件13的傾斜部之間的接觸至少為多個(gè)點(diǎn)以上，即以接近面接觸的狀態(tài)按壓。結(jié)果，散熱基板20由樹(shù)脂殼體6與按壓部件13的傾斜部這2個(gè)面按壓于散熱片10。另外，以散熱基板20截面端的角部為支點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩(應(yīng)力)并沒(méi)有直接向樹(shù)脂殼體6施加，而是經(jīng)由按壓部件13向樹(shù)脂殼體6傳遞。因此，進(jìn)一步降低施加到樹(shù)脂殼體6的旋轉(zhuǎn)力矩，也進(jìn)一步抑制樹(shù)脂殼體6的沿旋轉(zhuǎn)方向的變形。結(jié)果，即使是3.5Nm的緊固扭矩也沒(méi)有在填充樹(shù)脂9中觀察到裂紋的產(chǎn)生。
[0034]在以如上方式構(gòu)成的功率模塊中，采用了如下構(gòu)造:利用散熱基板20的平面部和樹(shù)脂殼體6、散熱基板20的傾斜部和按壓部件13的傾斜部，將散熱基板20按壓于散熱片10。這樣，通過(guò)使用散熱基板20的平面與斜面這2個(gè)面以上而將散熱基板20按壓于散熱片10的構(gòu)造，按壓部件13不易向樹(shù)脂殼體6傳遞應(yīng)力，因此，能夠抑制在將樹(shù)脂殼體6螺釘緊固于散熱片10時(shí)樹(shù)脂殼體6的彎曲位移。結(jié)果，由于還能夠降低在填充樹(shù)脂9的產(chǎn)生應(yīng)力，所以，能夠防止填充樹(shù)脂9的裂紋的產(chǎn)生。另外，由于這二者的傾斜部面接觸，所以，能夠放寬按壓部件13的要求尺寸公差、位置公差，加工、組裝變得容易。并且，通過(guò)使用由不易產(chǎn)生經(jīng)時(shí)變化的金屬形成、而不是由易于產(chǎn)生經(jīng)時(shí)變化的樹(shù)脂形成的按壓部件13進(jìn)行按壓，能夠降低散熱基板20的對(duì)散熱片10的按壓力的經(jīng)時(shí)變化，也能夠使功率模塊的熱阻長(zhǎng)期穩(wěn)定化。
[0035]另外，如果按壓部件13是熱傳導(dǎo)良好的金屬制，則也存在如下效果:能夠?qū)⒂晒β拾雽?dǎo)體元件4產(chǎn)生的熱量從散熱基板20經(jīng)由按壓部件13傳導(dǎo)到散熱片10，因此，能夠降低功率模塊的熱阻，從而使功率模塊長(zhǎng)壽命化。
[0036]在本實(shí)施例中，采用了按壓部件13設(shè)置于散熱基板20的整個(gè)外周部的構(gòu)造，